全球范圍內(nèi)，肺癌、慢性阻塞性肺（COPD）和肺炎等肺部疾病，每年影響數(shù)百萬人，及時診療對提升人民生命健康具有重大意義。支氣管鏡檢查是一種微創(chuàng)診斷和治療方法，已成為檢測、治療和管理各種肺部疾病的重要工具。然而，由于醫(yī)療資源分配不均和缺乏經(jīng)驗豐富的從業(yè)人員，欠發(fā)達地區(qū)往往難以獲得支氣管鏡檢查服務(wù)。

浙江大學控制科學與工程學院陸豪健研究員、王越副教授、熊蓉教授團隊提出并成功研制了人工智能(AI)輔助駕駛支氣管鏡機器人，可以賦予新手醫(yī)生熟練地進行肺部檢查的能力，顯著降低氣管鏡檢查對資深專業(yè)醫(yī)生的依賴，可有效提高欠發(fā)達地區(qū)肺部疾病的診斷能力。相關(guān)成果以“AI Co-pilot Bronchoscope Robot”為題，于1月4日在線發(fā)表于高水平學術(shù)期刊《Nature Communications》。

這項新技術(shù)影響深遠，其潛在應用有望革新肺部疾病檢查與診斷領(lǐng)域。研究論文的第一作者是控制學院的博士生張敬禹和劉立陸，通訊作者是控制學院陸豪健研究員、王越副教授、熊蓉教授，其他共同合作者包括控制學院博士研究生方琴、碩士研究生向平宇、聶秀萍和浙大醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院的馬洪海醫(yī)生與胡堅主任。

嶄新解決方案

團隊進行這項研究的出發(fā)點是要減輕醫(yī)生進行肺部疾病診斷的負擔，并緩解資源受限的欠發(fā)達地區(qū)疾病診斷的壓力。

陸豪健研究員介紹道：“經(jīng)支氣管鏡肺部檢查需要高水平的技能和經(jīng)驗，導致專家和新手醫(yī)生提供的護理質(zhì)量存在顯著差異。因此希望借助機器人技術(shù)與人工智能的有機結(jié)合以減輕醫(yī)療負擔以及對高水平醫(yī)生的需求?！?/p>

人工智能輔助駕駛支氣管鏡機器人在支氣管鏡手術(shù)臨床環(huán)境中的部署與應用示意圖

為解決這個問題，團隊研發(fā)出了一個即插即用的氣管鏡機器人系統(tǒng)，以磁吸附方法實現(xiàn)導管的快速連接與更換，解決了傳統(tǒng)氣管鏡機器人導管功能、尺寸單一的問題。團隊在研究中開發(fā)了兩種導管，直徑分別為3.3 mm (帶1.2 mm工作通道)和2.1 mm(不帶工作通道)，可以適用于多年齡段的患者，具有深入患者肺部更細更窄腔道檢查的潛力。此外，與動輒數(shù)百萬美金以上的進口醫(yī)療機器人系統(tǒng)相比，該機器人硬件成本低廉，滿足應用需求的基礎(chǔ)版本成本僅需3萬元人民幣，即使配備了更高精度的力傳感器，其硬件成本依然不超過10萬元。

AI技術(shù)賦能醫(yī)療

人工智能-人類共享控制算法流程

在進行氣管鏡檢查時，為降低導管對肺部組織造成損傷的風險（如手術(shù)失誤捅穿支氣管壁等），同時提高檢查效率，團隊還開發(fā)了一種人工智能-人類共享控制算法。共享控制算法基于風格遷移和仿真-實物的具身智能思路構(gòu)建，所訓練的策略網(wǎng)絡(luò)能夠以支氣管鏡圖像和粗粒度的人類命令(上、下、左、右或向前)作為輸入，預測機器人的細粒度轉(zhuǎn)向動作(俯仰和偏轉(zhuǎn)角度)。

王越副教授表示：“通過在氣管鏡機器人系統(tǒng)引入AI技術(shù)，不需要醫(yī)生全程干預，大大降低醫(yī)生進行氣管鏡檢查所花費的時間精力?！?/p>

實驗驗證

人工智能輔助駕駛支氣管鏡機器人動物實驗

最終，團隊使用開發(fā)的氣管鏡機器人系統(tǒng)在3個月大的小型豬上開展了動物實驗。結(jié)果表明，新手醫(yī)生在人工智能輔助駕駛的指導下比從業(yè)數(shù)十年的專家更平穩(wěn)，借助AI技術(shù)可以使得氣管鏡頭部實時保持在氣道中心，保證觀察視野以及減少與管壁的碰撞。

陸豪健研究員指出：“這項新技術(shù)在未來應用落地后，將顯著降低氣管鏡醫(yī)療檢查時的醫(yī)生操作經(jīng)驗門檻，并有望緩解經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)肺部疾病診斷能力不足的問題。”