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控制科学与工程学院陆豪健、王越团队在《Nature Communications》上发表人工智能辅助驾驶气管镜机器人研究成果

发布时间:2024-01-08来源:控制科学与工程学院作者:437

全球范围内,肺癌、慢性阻塞性肺(COPD)和肺炎等肺部疾病,每年影响数百万人,及时诊疗对提升人民生命健康具有重大意义。支气管镜检查是一种微创诊断和治疗方法,已成为检测、治疗和管理各种肺部疾病的重要工具。然而,由于医疗资源分配不均和缺乏经验丰富的从业人员,欠发达地区往往难以获得支气管镜检查服务。

浙江大学控制科学与工程学院陆豪健研究员、王越副教授、熊蓉教授团队提出并成功研制了人工智能(AI)辅助驾驶支气管镜机器人,可以赋予新手医生熟练地进行肺部检查的能力,显著降低气管镜检查对资深专业医生的依赖,可有效提高欠发达地区肺部疾病的诊断能力。相关成果以“AI Co-pilot Bronchoscope Robot”为题,于1月4日在线发表于高水平学术期刊《Nature Communications》。


这项新技术影响深远,其潜在应用有望革新肺部疾病检查与诊断领域。研究论文的第一作者是控制学院的博士生张敬禹和刘立陆,通讯作者是控制学院陆豪健研究员、王越副教授、熊蓉教授,其他共同合作者包括控制学院博士研究生方琴、硕士研究生向平宇、聂秀萍和浙大医学院附属第一医院的马洪海医生与胡坚主任。


崭新解决方案

团队进行这项研究的出发点是要减轻医生进行肺部疾病诊断的负担,并缓解资源受限的欠发达地区疾病诊断的压力。

陆豪健研究员介绍道:“经支气管镜肺部检查需要高水平的技能和经验,导致专家和新手医生提供的护理质量存在显著差异。因此希望借助机器人技术与人工智能的有机结合以减轻医疗负担以及对高水平医生的需求。”

人工智能辅助驾驶支气管镜机器人在支气管镜手术临床环境中的部署与应用示意图


为解决这个问题,团队研发出了一个即插即用的气管镜机器人系统,以磁吸附方法实现导管的快速连接与更换,解决了传统气管镜机器人导管功能、尺寸单一的问题。团队在研究中开发了两种导管,直径分别为3.3 mm (带1.2 mm工作通道)和2.1 mm(不带工作通道),可以适用于多年龄段的患者,具有深入患者肺部更细更窄腔道检查的潜力。此外,与动辄数百万美金以上的进口医疗机器人系统相比,该机器人硬件成本低廉,满足应用需求的基础版本成本仅需3万元人民币,即使配备了更高精度的力传感器,其硬件成本依然不超过10万元。

AI技术赋能医疗

人工智能-人类共享控制算法流程


在进行气管镜检查时,为降低导管对肺部组织造成损伤的风险(如手术失误捅穿支气管壁等),同时提高检查效率,团队还开发了一种人工智能-人类共享控制算法。共享控制算法基于风格迁移和仿真-实物的具身智能思路构建,所训练的策略网络能够以支气管镜图像和粗粒度的人类命令(上、下、左、右或向前)作为输入,预测机器人的细粒度转向动作(俯仰和偏转角度)。

王越副教授表示:“通过在气管镜机器人系统引入AI技术,不需要医生全程干预,大大降低医生进行气管镜检查所花费的时间精力。”


实验验证

人工智能辅助驾驶支气管镜机器人动物实验


最终,团队使用开发的气管镜机器人系统在3个月大的小型猪上开展了动物实验。结果表明,新手医生在人工智能辅助驾驶的指导下比从业数十年的专家更平稳,借助AI技术可以使得气管镜头部实时保持在气道中心,保证观察视野以及减少与管壁的碰撞。

陆豪健研究员指出:“这项新技术在未来应用落地后,将显著降低气管镜医疗检查时的医生操作经验门槛,并有望缓解经济欠发达地区肺部疾病诊断能力不足的问题。”