近日，嘉程创业流水席第212席【探讨生物医疗新技术与影像学融合创新】，邀请了奥达智声联合创始人&CEO范培华分享，主题是《穿刺导航机器人的应用场景、关键技术和市场机会》。

以下是正文内容：

• 首先是应用于肺穿刺导航的机器人系统，该系统主要用于执行肺部穿刺活检和局部治疗。在中国，许多创业公司已经开始这方面的研究和应用，并且一些产品已经获得了国家三类医疗器械注册证。这个赛道的火热与中国的疾病流行病学紧密相关。据2022年的数据显示，中国肺癌的新发病例总数达到了106万。在这些肺癌患者中，许多人在早期就被发现有小结节，如磨玻璃样结节或早期疑似病灶。对于这些病灶，肺穿刺是获取病理结果的重要手段。对于早期的小结节，包括原位癌和癌前病变，也可以采用消融的治疗方法进行毁损以达到根治的效果。

这些治疗都基于精确的肺穿刺技术。根据肺病灶的具体位置，会采用不同的穿刺方法。例如，对于靠近胸壁的结节或早期肺癌，通常会选择经胸壁穿刺。而对于靠近支气管或大支气管的目标病灶，则通常采用经支气管途径的穿刺方法。由于肺是一个含气脏器，所以在机器人设计时，通常会考虑使用CT影像作为引导，并配合电磁定位或光学定位系统，在人体上安装定位标签，通过CT扫描来追踪这些标签。

因此，肺穿刺导航机器人开发的难点在于呼吸补偿算法。在进行CT扫描和穿刺时，需要尽可能保持呼吸相位的一致性，以避免呼吸过程中目标的漂移。

• 除了肺部穿刺外，我们更关注肝脏穿刺，主要用于肝脏肿瘤的活检和局部治疗。无论是在国内还是国际上，肝脏肿瘤都是一种高发病。一部分患者患有原发性肝癌，而另一部分则是转移性肝癌，特别是来自消化道的转移。

根据流行病学数据，胃癌患者中约有10%-15%会发生肝脏转移，而结直肠癌的肝转移发生率则超过50%。面对如此众多的肝癌患者，临床上的挑战在于肝脏肿瘤的临床切除率相对较低。例如，在中国，确诊为原发性肝癌的患者中，仅有大约20%-30%的患者适合进行手术切除，其他患者更适合接受局部治疗。特别是在全身治疗的基础上，结合穿刺对肿瘤进行消融治疗目前，肝脏肿瘤的热消融治疗——包括微波和射频——已成为临床指南推荐的首选治疗方法。与肺相比，肝脏在穿刺过程中的主要难点在于其呼吸周期的影响，以及在受力情况下会发生无法准确预测的非线性形变。为了克服这种形变，我们提出的理想解决方案是采用实时影像超声与CT或核磁共振影像的融合。通过CT和核磁共振重建人体的三维结构，生成一张人体的三维地图，并通过电磁、光学或机械定位方法提供定位信息，将实时超声影像与术前的CT或核磁共振影像在定位系统提供的坐标体系中进行融合。这样，我们可以利用机器人快速定位病灶，并在影像引导下准确地进行穿刺。

这个系统的开发难点主要在两个方面：首先是肝脏形变的补偿方法，其次是在多种影像融合过程中的配准方法。

对于肝脏形变的补偿，尽管我们研究了许多数据并尝试了多种算法补偿，但发现没有一种算法能够完全有效地补偿肝脏形变。肝脏作为一个软性组织，在不同的质地、呼吸状态和受力情况下，其形变的模式、量和方向各不相同。因此，我们更倾向于使用实时影像超声技术来确定肝脏形变的具体位置和程度，并据此瞄准病灶。

第二部分是多模态影像的配准方法。传统方法通常依赖于体表标签或脏器内部的点对点配准。我们最近开发了一种新技术，利用脏器内部的三维结构进行配准。通过机械臂控制的超声探头对肝脏进行连续的扇形扫描，从而获取影像数据。然后，我们从超声影像中提取血管结构并进行三维重建，与CT影像中的血管结构进行比对，以找到相同的位置。一旦定位成功，我们会迅速建立坐标体系，将两种影像的坐标位置统一起来。这项技术能够很好地克服肝脏穿刺导航过程中的难题。

• 除了肝脏操作，这套系统还能兼容肾脏的穿刺导航。我们主要利用这项技术来治疗肾结石，这是一个全球范围内发病率极高的疾病。以中国为例，泌尿系统结石的患病率为5.8%，每年大概有超过6000万例的泌尿结石患者，他们通常对治疗有迫切需求。目前，泌尿结石的经典治疗方法之一是经皮肾镜取石。我们可以采用相似的功能，通过CT和超声影像融合进行术前规划，以便机器人能够精确定位目标。

开发中的两大难点包括：一是肾脏形变的位移补偿方法。在整个呼吸周期中，肾脏可能会上下移动超过两公分。我们的团队正在研究如何通过实时影像捕捉这种位移。二是多模态影像配准方法的应用。我们在肾脏上采用不同的配准方法，利用肾脏的轮廓及其内部结构——如肾锥体和肾柱——进行比对配准。

• 接下来要介绍的是前列腺穿刺导航机器人。这一机器人系统目前受到广泛关注，主要是因为前列腺癌在中国男性中的发病率正迅速上升，它也是全球恶性肿瘤发病率排名第三的疾病。此外，如果前列腺癌能在早期被发现、诊断并治疗，即在低风险阶段进行干预，患者的长期生存率将大大提高。

然而，在国内，传统的前列腺诊断主要依赖于经直肠超声引导。由于超声对前列腺癌的敏感性较低，因此常规做法是进行系统性的多点穿刺，包括经直肠和经会阴的穿刺方法。

我们注意到，在前列腺影像诊断中，核磁成像效率极高，尤其是多参数核磁成像。因此，未来的发展趋势将是将核磁共振与经直肠超声融合，将核磁所见的病灶映射到超声图像上，从而在超声引导下轻松定位病灶。这不仅可以提高穿刺的阳性率，还可以显著减少传统的至少12针穿刺次数。

但是，开发这种机器人相当有难度。尽管前列腺是一个相对静止的病灶，但由于其位置特殊，以及在进行核磁共振检查和穿刺时体位和直肠充盈状态的差异，其开发难点主要在于两种影像的配准方法。目前，越来越多的研究倾向于采用考虑弹性变形的配准方法。

前列腺穿刺后获得的病理信息对后续治疗具有重要的指导作用。根据临床指南，前列腺癌的治疗应当分级进行。对于早期低风险的前列腺癌患者，越来越多的专业人士倾向于采用局部治疗方法，如冷冻治疗、放射性粒子植入和不可逆性电穿孔消融治疗。然而，在传统的前列腺穿刺中，尽管进行了12次穿刺，但每次穿刺的前列腺区域并不明确。如果穿刺结果阳性，且患者适合局部治疗，重新定位这些区域将非常困难。

目前，我们通过机器人进行穿刺，机器人能够在穿刺过程中记录每一帧的精确坐标信息，并将其与每一针的病理结果相关联。这样，如果穿刺确定了低风险前列腺癌的位置，后续的局部治疗将更加有针对性。

• 最后是浅表脏器穿刺导航机器人，主要涉及甲状腺和乳腺。甲状腺和乳腺肿瘤的发病人数及发病率非常高。随着技术的进步，甲状腺和乳腺的穿刺诊断及微创治疗需求日益增长。目前，在行业内，传统的甲状腺微创治疗主要依赖于高频超声引导，因为高频超声能够提供极高的组织分辨率。

如果能开发一款合适的机器人，也能够很好地配合医生开展手术。所以，我们的目标是设计一款助手型机器人，使用被动式机械臂固定超声探头，将其定位于所需穿刺的平面上，并结合人工智能技术进行穿刺目标识别，以提高穿刺效率。

此外，我们还在研发实时穿刺引导的设计。当超声探头接触体膜后，可以清晰地看到目标区域。穿刺时，穿刺引导线与穿刺引导器的角度相匹配，调整角度时，穿刺引导线也会相应变化，这相当于一个精准的瞄准镜，能够实时定位目标。