摁下開關鍵，機器人復位操作啟動。若是不湊近觀察，幾乎看不到患者小寒（化名）肌肉的輕微顫動。
僅耗時幾分鐘，骨盆復位完成。
幾天后，這位13歲的小姑娘已可以下床走路。
“像她這樣嚴重的骨盆損傷，如果沒有手術機器人，采用人工復位至少需要4到5個小時，最終還有可能失敗。”日前接受科技日報記者采訪時，小寒的主治大夫、北京積水潭醫院創傷骨科主任醫師趙春鵬說。
趙春鵬口中的“手術機器人”，就是全球首個“骨盆骨折復位手術導航定位系統”。它由北京積水潭醫院副院長吳新寶，聯合北京航空航天大學生物與醫學工程學院副教授、北京羅森博特科技有限公司創始人王豫等組建攻關團隊，歷時十余年研制而成。
找準點
在創傷骨科領域，骨盆骨折閉合復位被公認為“世界最難之一”的手術。
“如果將四肢骨折比喻為‘筷子’斷了，那么骨盆骨折則相當于‘碗’碎了。”吳新寶告訴記者，“盆腔中有大量的神經、血管和臟器，切開手術極易帶來其他損傷，閉合手術只有少數專家才能完成。”
能不能研發出一款骨盆復位機器人，提高手術效率與效果，惠及萬千患者？吳新寶有了這樣一個“執念”。2014年，在一次科研項目交流過程中，他與王豫一拍即合，攻關團隊隨即組成。
骨盆復原要想“天衣無縫”，首先要找準復位的點。然而，兩年多時間里，團隊不停地討論、驗證，軟件、算法修改了成百上千次，依然無法有效解決這個難題。
“無數次都想放棄。”那段時間，吳新寶幾乎陷入了絕望。直到有一天，在與團隊激烈爭論時，他突然想到鏡像原理——骨盆整體上是對稱結構，左邊摔壞了，右邊是好的，能不能照著右邊復原左邊？
“理論上這是行得通的，但要準確算出對稱點位置，難度極大！”王豫解釋道，與人的視覺感知不同，機器進行鏡像計算時，一定要告訴它精準的對稱面位置。即便識別出的角度只差一度，復原點與實際點也可能差出幾厘米。
再三推敲實現路徑后，團隊選擇使用骨盆未損傷部分做自對稱——先選取完好部分的特征點，再用“照鏡子”方式投射為對稱面，通過配準兩者之間的特征點，找到復位的最佳位置。
特征點難選，就反復研究病例；配準計算耗時長，就優化迭代算法……最終，研發團隊成功實現一次性全局快速配準，計算時長由起初的6000多秒縮短至80多秒。
配準的點越多，越能精準確定骨盆復原位置。吳新寶說：“最多時，在約兩只手掌大的髂骨上，我們實現了兩側各一萬多個點的一一對應，可以讓骨盆復位嚴絲合縫。”
用好力
位置找準后，機器人就要操作機械臂移動骨盆復位。如何用好力，成為手術成功的關鍵。
2019年，在一次臨床試驗中，由于患者體形較胖，肌肉、韌帶等軟組織阻力大，機械臂力量不夠，導致手術機器人“敗下陣來”。
“常用的醫用機械臂力量極限只有160牛頓，而醫生最大用力可達300牛頓，相差懸殊。”吳新寶說，“怎么辦？我們甚至考慮過工業機械臂，但很快又因為其體積、重量與風險不可控等因素，放棄了這一想法。”
“國外嘗試的并聯機械臂行不行？”一次團隊研討時，有人提議。大家順著這個思路往下走，結果發現力量有了，但兩只剛性機械臂又相互制約了自由度。
一個個想法被否決，研發又一次陷入停滯。
再度復盤手術過程時，吳新寶發現，有一個細節被大家忽視了——手術中，主刀醫生難以獨自徒手復位時，會有2至4名醫生同時上臺，在患者相關部位進行牽引、提供助力。
能否增加一個輔助牽引裝置，為機械臂提供助力？“這個裝置既要能給機械臂提供助力，又不能影響其自由度。”王豫解釋道，“手術臺上，輔助醫生用力須根據主刀醫生的需要，靈活調整方向和力度。”
這個“剛柔并濟”的需求，實現起來太難了。就在大家百思不得其解時，王豫想到了小時候玩的彈簧秤——用彈簧做輔助牽引臂，力度大小可以漸變調整，同時還不影響機械臂的靈活性。
方案有了，接下來是模擬驗證。團隊專門從德國買來了“人工肌肉”，通過不斷調整軟組織的阻力，模擬臨床實際情況，搭建生物力學模型進行測試。
當機械臂因阻力過大不能動彈時，團隊成員按下了輔助牽引裝置開關，彈簧臂開始一點點拉緊。“動了，機械臂動了！”大家歡呼起來。
測試結果表明，在輔助牽引裝置的幫助下，機械臂牽引復位力需求降低了50%以上，現有機械臂力量終于可以滿足復位需求了。
會“繞路”
“明明繞一點兒就過去了，你這機器人太‘笨’了！”在一次臨床試驗中，吳新寶沖王豫嚷了起來。
原來，是一個骨尖兒擋住了機械臂的去路。只要稍微換個角度就能過去，但它就是止步不前。情急之下，大家不得不把機器人卸下來，由吳新寶徒手操作完成手術。
“那時，機器人只會完成‘走直線、拐直角’這類常規動作，不會隨機應變‘抄近路’。”趙春鵬說，“而在實際手術中，醫生會根據具體情況靈活調整路線，牽引骨盆復位。”
“之前，我們重點考慮的是安全，所以一開始就為手術機器人劃定了紅線，一旦遇到阻力就得停下來。”王豫解釋道。
那次失敗后，大家意識到，必須設法讓機器人具備實時規劃前進路線的能力。王豫打比方道：“就像螞蟻往窩里搬東西一樣，遇到小石子時，它會蹭著石子繞過去，而不是停滯不前。”
機器人必須“自己聰明起來”！研發團隊在機械臂上安裝傳感器，讓機器人能夠實時測量出復位過程中遇到的阻力；然后給控制軟件添加功能模塊，使其能判別不同方向阻力大小，為機械臂智能規劃牽引路線。
那段時間，大家通宵達旦地干。反復試驗、來回調試，當看到顯示屏上機械臂的路徑指針能像螞蟻一樣“繞路”時，王豫終于長舒了一口氣。
歷經3代樣機迭代、無數次驗證優化，2023年底，“骨盆骨折復位手術導航定位系統”成功通過國家藥品監督管理局創新產品注冊申請，獲批第三類醫療器械注冊證。目前，它已在100多例患者手術中得到應用，優良率超過96%，遠高于醫生徒手復位效果。
“在前不久召開的全國科技大會、國家科學技術獎勵大會、兩院院士大會上，習近平總書記強調，‘進一步加大科技創新力度’‘促進自主攻關產品推廣應用和迭代升級’。這讓我們深受鼓舞、倍添動力。”吳新寶說，“創新之路注定是曲折的，但只要堅定信心，掌握核心技術，即使國外做不出來，我們也能取得突破。下一步，團隊將始終堅持面向人民生命健康，繼續豐富機器人病例庫，提升產品性能，為更多患者康復帶來福祉！”
摁下開關鍵，機器人復位操作啟動。若是不湊近觀察，幾乎看不到患者小寒（化名）肌肉的輕微顫動。
僅耗時幾分鐘，骨盆復位完成。
幾天后，這位13歲的小姑娘已可以下床走路。
“像她這樣嚴重的骨盆損傷，如果沒有手術機器人，采用人工復位至少需要4到5個小時，最終還有可能失敗。”日前接受科技日報記者采訪時，小寒的主治大夫、北京積水潭醫院創傷骨科主任醫師趙春鵬說。
趙春鵬口中的“手術機器人”，就是全球首個“骨盆骨折復位手術導航定位系統”。它由北京積水潭醫院副院長吳新寶，聯合北京航空航天大學生物與醫學工程學院副教授、北京羅森博特科技有限公司創始人王豫等組建攻關團隊，歷時十余年研制而成。
找準點
在創傷骨科領域，骨盆骨折閉合復位被公認為“世界最難之一”的手術。
“如果將四肢骨折比喻為‘筷子’斷了，那么骨盆骨折則相當于‘碗’碎了。”吳新寶告訴記者，“盆腔中有大量的神經、血管和臟器，切開手術極易帶來其他損傷，閉合手術只有少數專家才能完成。”
能不能研發出一款骨盆復位機器人，提高手術效率與效果，惠及萬千患者？吳新寶有了這樣一個“執念”。2014年，在一次科研項目交流過程中，他與王豫一拍即合，攻關團隊隨即組成。
骨盆復原要想“天衣無縫”，首先要找準復位的點。然而，兩年多時間里，團隊不停地討論、驗證，軟件、算法修改了成百上千次，依然無法有效解決這個難題。
“無數次都想放棄。”那段時間，吳新寶幾乎陷入了絕望。直到有一天，在與團隊激烈爭論時，他突然想到鏡像原理——骨盆整體上是對稱結構，左邊摔壞了，右邊是好的，能不能照著右邊復原左邊？
“理論上這是行得通的，但要準確算出對稱點位置，難度極大！”王豫解釋道，與人的視覺感知不同，機器進行鏡像計算時，一定要告訴它精準的對稱面位置。即便識別出的角度只差一度，復原點與實際點也可能差出幾厘米。
再三推敲實現路徑后，團隊選擇使用骨盆未損傷部分做自對稱——先選取完好部分的特征點，再用“照鏡子”方式投射為對稱面，通過配準兩者之間的特征點，找到復位的最佳位置。
特征點難選，就反復研究病例；配準計算耗時長，就優化迭代算法……最終，研發團隊成功實現一次性全局快速配準，計算時長由起初的6000多秒縮短至80多秒。
配準的點越多，越能精準確定骨盆復原位置。吳新寶說：“最多時，在約兩只手掌大的髂骨上，我們實現了兩側各一萬多個點的一一對應，可以讓骨盆復位嚴絲合縫。”
用好力
位置找準后，機器人就要操作機械臂移動骨盆復位。如何用好力，成為手術成功的關鍵。
2019年，在一次臨床試驗中，由于患者體形較胖，肌肉、韌帶等軟組織阻力大，機械臂力量不夠，導致手術機器人“敗下陣來”。
“常用的醫用機械臂力量極限只有160牛頓，而醫生最大用力可達300牛頓，相差懸殊。”吳新寶說，“怎么辦？我們甚至考慮過工業機械臂，但很快又因為其體積、重量與風險不可控等因素，放棄了這一想法。”
“國外嘗試的并聯機械臂行不行？”一次團隊研討時，有人提議。大家順著這個思路往下走，結果發現力量有了，但兩只剛性機械臂又相互制約了自由度。
一個個想法被否決，研發又一次陷入停滯。
再度復盤手術過程時，吳新寶發現，有一個細節被大家忽視了——手術中，主刀醫生難以獨自徒手復位時，會有2至4名醫生同時上臺，在患者相關部位進行牽引、提供助力。
能否增加一個輔助牽引裝置，為機械臂提供助力？“這個裝置既要能給機械臂提供助力，又不能影響其自由度。”王豫解釋道，“手術臺上，輔助醫生用力須根據主刀醫生的需要，靈活調整方向和力度。”
這個“剛柔并濟”的需求，實現起來太難了。就在大家百思不得其解時，王豫想到了小時候玩的彈簧秤——用彈簧做輔助牽引臂，力度大小可以漸變調整，同時還不影響機械臂的靈活性。
方案有了，接下來是模擬驗證。團隊專門從德國買來了“人工肌肉”，通過不斷調整軟組織的阻力，模擬臨床實際情況，搭建生物力學模型進行測試。
當機械臂因阻力過大不能動彈時，團隊成員按下了輔助牽引裝置開關，彈簧臂開始一點點拉緊。“動了，機械臂動了！”大家歡呼起來。
測試結果表明，在輔助牽引裝置的幫助下，機械臂牽引復位力需求降低了50%以上，現有機械臂力量終于可以滿足復位需求了。
會“繞路”
“明明繞一點兒就過去了，你這機器人太‘笨’了！”在一次臨床試驗中，吳新寶沖王豫嚷了起來。
原來，是一個骨尖兒擋住了機械臂的去路。只要稍微換個角度就能過去，但它就是止步不前。情急之下，大家不得不把機器人卸下來，由吳新寶徒手操作完成手術。
“那時，機器人只會完成‘走直線、拐直角’這類常規動作，不會隨機應變‘抄近路’。”趙春鵬說，“而在實際手術中，醫生會根據具體情況靈活調整路線，牽引骨盆復位。”
“之前，我們重點考慮的是安全，所以一開始就為手術機器人劃定了紅線，一旦遇到阻力就得停下來。”王豫解釋道。
那次失敗后，大家意識到，必須設法讓機器人具備實時規劃前進路線的能力。王豫打比方道：“就像螞蟻往窩里搬東西一樣，遇到小石子時，它會蹭著石子繞過去，而不是停滯不前。”
機器人必須“自己聰明起來”！研發團隊在機械臂上安裝傳感器，讓機器人能夠實時測量出復位過程中遇到的阻力；然后給控制軟件添加功能模塊，使其能判別不同方向阻力大小，為機械臂智能規劃牽引路線。
那段時間，大家通宵達旦地干。反復試驗、來回調試，當看到顯示屏上機械臂的路徑指針能像螞蟻一樣“繞路”時，王豫終于長舒了一口氣。
歷經3代樣機迭代、無數次驗證優化，2023年底，“骨盆骨折復位手術導航定位系統”成功通過國家藥品監督管理局創新產品注冊申請，獲批第三類醫療器械注冊證。目前，它已在100多例患者手術中得到應用，優良率超過96%，遠高于醫生徒手復位效果。
“在前不久召開的全國科技大會、國家科學技術獎勵大會、兩院院士大會上，習近平總書記強調，‘進一步加大科技創新力度’‘促進自主攻關產品推廣應用和迭代升級’。這讓我們深受鼓舞、倍添動力。”吳新寶說，“創新之路注定是曲折的，但只要堅定信心，掌握核心技術，即使國外做不出來，我們也能取得突破。下一步，團隊將始終堅持面向人民生命健康，繼續豐富機器人病例庫，提升產品性能，為更多患者康復帶來福祉！”
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