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摘要： 随着我国居民生活水平的提高和医疗保健意识的增强，对于医疗机构数量、规模、医疗质量的需求日益增加。特别是新冠疫情暴发后，人工智能、机器人等相关技术在医疗、医护领域的应用，对于补齐我国高端医疗装备短板、弥补医疗资源缺口、辅助提升医护水平起到了积极作用。伏羲九针智能科技（北京）有限公司（以下简称“伏羲九针”）研发的智能穿刺机器人突破原有传统人工静脉穿刺局限，在避免医患交叉感染、提升医疗效率、节约医疗资源等方面取得了有效成果。
关键词： 人工智能 医疗机器人 智能穿刺
随着科学技术的进步，人类对自身疾病的诊断、治疗、预防及卫生健康给予了越来越多的关注，医疗机器人已经成为国际化机器人领域的一个研究热点。其中机器人替代人工的应用场景中，静脉输液具有相对代表性。静脉输液是全世界临床治疗最常用、最为安全的治疗方式之一，而手背静脉穿刺是临床应用中最主要的实用技术。减轻穿刺的疼痛、提高静脉穿刺的成功率，是护理人员必须具备的专业能 力，也是目前医疗机器人面向该领域需要突破的关键点。
1.1 市场需求：从事穿刺工作的医护人员严重短缺
2020年疫情形势下，世卫组织与国际护士理事会等机构合作撰写报告称，目前全球护理从业人员不到2800万，2018年全球护士数量缺口达590万
，非洲、东南亚、南美部分地区和中东地区的缺口最大。而截至2019年年底，中国全国护士总数为445万，平均每千人口的护士只有3名
，在全世界排名倒数第三。世卫组织总干事谭德塞曾在一份声明中指出：“对于任何一个卫生系统来说，护士都是骨干。”截至2019年年底，我国护士缺口多达200万—300万名
，相比发达国家有较大差距，且现有护士多数分布在东部沿海地区和大城市医院，西部欠发达地区及农村医院的护士缺口更为严峻。
护士日常最重要的工作之一是穿刺输液，在医院输液大厅、病房、社区医院、养老医院、体检机构等场景均存在大量的穿刺输液需求。以三甲医院为例，平均每天输液量在1000—1500次，2019年我国输液消费量在105亿瓶（袋）左右
，当前存在较大的医护供给不足。
1.2 行业痛点：穿刺技术有很强的技术性、影响因素和风险性
据大样本调查，根据患者不同情况，临床中约有27％的患者静脉不够清晰，40％的患者静脉目视无法辨认，特别是孩童、老年人、重症患者血管辨识更为困难，这些因素都会导致护士“看不清、扎不准、拿不稳”。
遇到血管相对难扎的病人，护士在穿刺中会产生紧张情绪，需要尝试2—3次才能穿刺成功，对于患者来说，反复的静脉穿刺失败会增加静脉炎、血栓和感染的可能性，这也极易引起患者及家属不满，引起医患矛盾；并且约有80%
的护士在血管穿刺中受到针刺伤害，在新冠疫情及重大传染病期间，极易因穿刺过程导致“医患交叉感染”；在广大医疗资源匮乏地区，比如县城、山区、边防、远航舰船、科考站、航天空间站、战场等需要进行救治的地方，护士更为短缺，无法进行穿刺动作进行救治。
“FUXI”系列产品样机图
基于以上场景分析及实际调研，伏羲九针发现智能穿刺机器人可有效解决医护供给不足、护士“扎针难题”，因此逐渐开展相关研发工作，致力于运用人工智能及机器人技术帮助医护质量及效率提升。
2.1 方式方法创新
伏羲九针智能穿刺机器人从人工穿刺依靠眼观、手摸这种传统经验判断方式转变为 红外成像、超声透视、激光扫描等多种传感器信息相结合的精确定位模式 ；同时，借助专家型医护人员的医术以及临床经验，针对 包含 血管位置、形态、穿刺方法等因素在内的医疗大数据的分析、总结，可形成系统化的穿刺技术；再结合应用人工智能算法、机器人自动化控制技术，融合多模信息，进行识别定位，使血管更易识别，可以在血管辨认较为困难的情况下，做到高效准确地建立动静脉生命通路，在60秒内完成消毒、定位、穿刺动作。从而实现了日常输液穿刺的突破，提升了医护工作效率，达成了“机器人+医护共同协作”的全新智能穿刺工作方式。
2.2 临床医学创新
伏羲九针智能穿刺机器人可同时适用于临床中手背、手腕、肘部等多部位动静脉血管及神经阻滞，可实现输液、采血、血压监测、血气血象分析、神经阻滞麻醉等功能。相较于市场同期品牌产品只能完成前臂静脉血管采血单一功能而言，在穿刺部位的适用性、穿刺功能兼容性方面，具有突破性的发展。
2.3 技术能力创新
伏羲九针智能穿刺机器人基于临床穿刺规则与基于深度学习的方法相结合，云边协同与数据中心智能相结合，实现多部位精准穿刺与穿刺针留置，不仅能够精准识别并定位穿刺靶点，还可以面向不同部位不同特征的血管，更为先进的在于能够在力感应随动穿刺过程中实时精确控制，这是人工智能技术应用上的巨大突破。这其中包含实时超声影像引导的穿刺路径导航技术、建立血管组织力学特性数学描述模型、多模信息感知下的高约束条件穿刺行为控制、血管穿刺精准安全操控机制等诸多模型与技术环节。
靶点智能识别技术
超声穿刺实时追踪图
在血管识别方面，智能穿刺机器人通过大量的样本学习，能够智能区分动静脉，识别最佳穿刺靶点。在已获得的超声数据集上，手背静脉血管识别率达到90%以上，静脉血管识别时间可控制在5秒以内。
通过实时三维重建技术对穿刺点周围的血管及身体组织进行实时3D重建，精确度达到了毫米级别，保障了穿刺的实施和进针监控；同时通过计算机模拟，精确地执行机构导航规划，重复精度和绝对精度达到了0.2 毫米以内，穿刺成功率达到了96%以上。
通过多模融合和高度集成，实现了识别、自动控制、交互的高度协同，整体穿刺时间控制在60秒以内。
与此同时，伏羲九针智能穿刺机器人充分集成了视觉、音频、压力、红外、超声、机械结构、边缘计算平台等功能模块，并实现了产品的轻量级和小型化，可在桌 面使用环境下适配众多应用场景。
3.1 第一阶段：智能穿刺机器人样机面世
伏羲九针核心团队自2018年开始逐步建立，其中包含院士、国家千人计划等高层次人才，博士、硕士学历人才占比80%以上。
此阶段在产品研发上实现了如下模块：
一是视觉识别模块：自然光、红外光、超声波识别（识别人、人体组织、动作）等。二是语音模块：语音识别与处理（信息确认，需求记录）、语音提醒等。三是系统模块：机器人系统（ROS）、安卓系统、windows系统、控制系统。四是信息通信与处理模块：包括人工智能处理芯片（FPGA）、图像增强模块、存储模块、无线信号发送接收模块WIFI、4G/5G等。五是机械与电气化装置：人体固定、自动上针装置、医疗废物收集装置、自动消毒装置、四轴高精度机械臂、电源等。六是交互装置：语音交互硬件设备、视频交互屏幕、人机交互优化设备。七是医疗耗材：包括针头、针头盒、输液器、一次性卫生橡胶套、无菌布等耗材加载。八是在线监测装置：包括光学位置监测设备等。九是消毒杀菌装置：包括机器人本体及穿刺部位的消毒。
同时，实现了机身、机械臂、末端操作装置的机械化设计，完成符合人体工程学及人机交互的外观设计，并注册申请了相关外观专利。
阶段成果：
在此阶段，完成了智能穿刺的产品化、功能化系统设计，实现了机器人安全设计并完成了产品设计、制造、测试验证文档的规范制定。同期，完成了核心算法的研究，包括识别、运动、交互、穿刺等多个模块。实现了样机的小批量生产，机器人功能和性能达到了预期设计要求，第一批5项知识产权完成了申报。
3.2 第二阶段：第一代FUXI智能穿刺机器人产品化
2020年6月，第一代FUXI智能穿刺机器人开始建立测试验证体系，开展产品化设计与测试验证，在机械结构、电气、信息化、功能安全等方面开展了功能及性能测试，并根据结果进行了多次校准，活体穿刺试验阶段已经完成了千余例活体动物试验。
2020年12月，伏羲九针机器人团队陆续开展了百余例的人体临床试验，穿刺成功率达到了95%以上。
第一代FUXI智能穿刺机器人已完全具备实际场景应用的条件，初步完成了供应链体系的建立，在机械结构、外观、人因工程、耗材等方面建立了产业应用基础。
阶段成果：
伏羲九针智能机器人在两家三甲医院的产品临床验证表现均达到了预期水平，第一代FUXI智能穿刺机器人防护等级达到了IP54水平，机械结构及电气安全达到医疗器械设计标准；同时，第一代FUXI智能穿刺机器人开始进入三类医疗器械产品注册证和三类医疗器械生产许可证的审批流程。
智能穿刺机器人临床试验
伏羲九针智能穿刺机器人基于目前医护人员紧缺、穿刺效率不高、医疗资源不均衡等行业痛点开始研发，具有完全自主知识产权，致力于未来改变医院护理界的工作模式和效率，预期降低医院科室人员经费和卫生材料的成本支出，提高卫生资源使用效率，以机器人的方式解决护士资源不匹配的问题。除三甲医院以外，未来智能穿刺机器人还将应用于社区医院、养老院、应急保障等多个场景。
4.1 产品需求及市场前景广阔
智能穿刺机器人可预期满足如下需求：一是降低医疗成本。通过机器人代替护士的穿刺工作，降低医院的用人成本，提高工作效率，加快医院整体的运转速度。二是帮助减少医患矛盾，保护医护人员健康。通过使用机器人提升穿刺效率和准确性，减少医疗事故的发生，同时降低医护人员在穿刺过程中所面临的感染和被误伤的风险。三是有效提升针对特殊体征患者如黑色人种、严重烧伤、血管较细较深的穿刺成功率。
截止到2019年年末，全国医疗机构总计1007545个：其中三级医院2749个，二级医院9687个，一级医院11264个，未定级医院10654个，基层医疗机构954390个，专业公共卫生机构15924个，其他机构2877个。
通过企业调研，三级医院的采购量预期达到30—50台，二级医院采购量10—30台，一级医院及基层医疗机构采购量5—10台，基层医疗机构采购数量2—5台，全国预期市场需求量在50万—100万台。
4.2 产品不断迭代升级 功能逐步增加
FUXI系列智能穿刺机器人将面向未来更多的穿刺场景：一是将研发面向人体重点点位的穿刺功能，包括腋下动静脉、中心静脉、主动脉等方面的穿刺点研究和产品化实现；二是拓展产品功能，包括穴位针灸、神经穿刺、穿刺后的硬件植入等功能；三是拓展产品应用场景包括航空航天、远洋作业、勘探保障、应急储备、边缘地区远程诊疗等场景。
1.社会效益
医疗智能机器人产业伴随人类健康需求增长而不断发展，其核心技术也是全球发达国家竞相争夺的关键领域之一。提升医疗智能机器人的自主研发及产业应用水平，是我国高端智能制造技术发展和产业升级的必然路径。伴随着国家政策扶持及医疗体系革新，智能机器人在医疗常用场景中的应用，将有望保持高速增长的良好态势，以期满足社会人口老龄化加剧、医疗水平持续提升的迫切需求。
2.创新价值
目前国内医疗机器人布局企业逐步上升，其中已有相关应用企业登陆科创板。伏羲九针智能医疗机器人结合“产学研用”深耕于智能穿刺场景，将医疗科学与人工智能、机械、材料、大数据等多学科交叉应用，实现了力感应随动穿刺过程精准控制的行业突破，具备节约医疗资源、提升医护效率的应用基础；同时，其工程化程度较好，当前具备桌面级水准，预期未来面向便携级深入开发，可应用于欠发达地区、社区、边防、科考、航天空间站等特殊场景。