南京一医学生造针灸机器人：可自动选穴、定位、无痛进针

当腾讯副总裁、腾讯人工智能实验室AI Lab院长姚星2016年10月在TEDx的一场演讲上透露其AI(人工智能)野心,想给每个人都造一个温暖的“大白”时,南京中医药大学的一位在校学生已经默默开始了他的“大白之旅”——希望造出一款针灸机器人,实现自动选穴、定位以及无痛进针。

针灸最早记载于《黄帝内经》一书。一般的针灸之学认为,生命的能量是“气”,气在十二经络中流动,“气”堵塞,即会招致疾病。所以,治病之道在于纾解阻塞或找一条暂时的替代路线,而用针刺或艾条灸经络上相应的通道关卡——穴位,则可恢复“气”的平衡。

在今天大多的医书和“铜人图”上,人体已经确定的穴位有300多处。尽管国内外对经络与穴位的存在与否尚存争议,但其疗效在国际上已颇有些认可度。以美国为例,到2015年时全美就已经有44个州承认针灸合法,针灸成为美国整合医学和医疗保健的一部分。

对于针灸医师而言,由于存在着个体差异,如何辨证选经选穴、取穴是否准确、针灸手法是否得当等,正是体现针灸师水平高下之处。

实际上,传统针灸遭现代医学”攻击“的一个主要方面就是,人工取穴多有一定的主观性和不确定性,而且针灸师手法标准化欠佳,由此进一步造成针灸实验可重复性较差等。国外甚至曾有研究认为针灸与安慰疗法无异。

这种背景下,试图运用非人工手段进行自动取穴、使得穴位定位标准化,成为近些年来国内外医学界的努力方向。

2015年《超能陆战队》里“医疗机器人”大白的横空出世,让当时就读于南京中医药大学针灸推拿专业的大四学生徐天成,心中一动。

能不能做一款会针灸的大白,解决上述人工针灸存在的问题?

受身为针灸师的父亲的影响,徐天成自小便痴迷于神秘的针灸学。他在网上搜索发现,国内外关于针灸机器人的公开消息极少,只2011年曾有报道说将在甘肃兰州建一条生产线可年产10 万台可以自行针灸的中国“皇甫谧”针灸机器人——这款机器人的名字来源于东汉医学家皇甫谧,他因写就中国第一部针灸学的专著《针灸甲乙经》,被后世尊为“针灸鼻祖”。

但自那之后,便再无公开消息。

针灸机器人的领域近乎空白,徐天成决定自己来做。可首要问题便是,针灸师尚且要经过一番揣穴定位,机器人又如何能做到精确自动取穴?

徐天成对澎湃新闻(www.thepaper.cn)说,人体虽各有差异,但穴位却是按人体比例固定分布的,“比如临床常用的‘合谷’穴,其定位在手背第1、2掌骨间,第二掌骨桡侧的中点处。不管你高矮胖瘦,你的合谷穴都在中点。”因此,只要建立一个准确的模型,就可以解决绝大部分人的“穴位定位”问题。

基于这点思考,他大胆将传统经络腧穴学与现代科学文明成果——混沌理论、分形理论结合起来,勾画了一副“数字经络图”。分形理论证明了经络的等比缩放性质,而区别于从前的标量图,该数字经络图属矢量图,意味着使用光学器材定位人体腧穴时,不会因缩放导致的失真使定位存在较大误差。

徐天成认为,人体属于混沌系统,看似杂乱无章,实则蕴藏秩序。如同南美洲的一只蝴蝶扇动翅膀就会在佛罗里达引起飓风一样,人体中的单个穴位也可以通过经络循行发挥对全身的调控作用。而经络的循行路径看似是没有规律的,但以不规则几何形态为研究对象的分形理论却可以为其抽象出一般规律,那就是经络循行在结构和功能上都具有自相似的分形属性。比如,结构上就符合“树枝生长”模式——树干分叉成树枝,树枝分叉成更小的细树枝,细小树枝上的叶子在叶脉的纹路上重复树枝的模式。

根据经络循行的自相似性和分形迭代原则,徐天成团队以临床常用的心经、脾经等经络穴位为基本单元,构建数学公式,编程绘制六条经络主干的分形化经络循行线,创建数字经络;并采取相同的技术路线,选取十二条经络中六条经络上85个国标穴位绘制数字经络。

这一原创“数字经络理论”(《混沌内部的隐秩序——经络的数字化研究》)斩获第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖。当时作为大四学生的他没有想到,当初这一出自兴趣的研究,竟成了日后他及团队创造机器人的重要理论基础——后者(《数字经络理论针灸机器人》)则获“ROBO”世界大学生医疗机器人创意大赛(中国赛)二等奖,且被列为第九届李光耀全球创新创业大赛全球36 强。

目前仍在南京中医药大学就读针灸推拿专业研究生的徐天成对澎湃新闻介绍,到去年年底他们已成功实现了84个国标穴位的数字化。目前初步研发出来的针灸机器人由经络仪、机械手、取穴系统三部分组成,其中,基于进针速度与患者痛觉的定量关系开发出来的机械手,可以实现高速进针,减少进针疼痛,同时,对于“痛感”不同的人群,依托算法和内置的力学传感器,当进针阻力达到阈值时可自动停止进针过程,保障安全进针。

“机器人在工作前会测量人的身高和皮脂厚度,测算穴位的位置下针,测量精度能精确到0.34毫米。机械手上还会有超声传感器,避免扎得太深,同时控制扎的速度和提拉。”徐天成说。

而经络仪则体现了人工智能。徐天成团队根据“针灸腧穴学”国家教材提供的标准,向机器人输入了大量症状,机器人再凭借强大的分析能力给出针灸方案,通过机器人这一大数据平台,可做到标准化地采集针灸临床数据并最终反哺于临床,“最终实现使医生从长时间的重复劳动中解脱,更专注于治疗方案。”

据徐天成介绍,目前该款机器人已经能根据症状设计2.7万套针灸组合,“像消化不良、运动损伤等病症,这款机器人已能进行针灸。”。但他同时也坦言,大椎穴、定喘穴等一些紧要的、可能涉及生命安全的穴位,还暂时不能让机器人来针灸。

在徐天成看来,针灸机器人的成功研发,更为重要的意义在于推动针灸标准化以及针灸科研发展。“科研中常因人手对动物施加针灸操作刺激量过大等问题造成妨碍,针灸机器人在模拟人手操作的基础上,避免了因为人类实验员施加针刺与受体动物空间数量级差异导致的刺激量过大等问题,可以提升针灸科研质量。”

更进一步而言,针灸不仅可以用于人体,牛、猪等动物,以及家庭宠物如猫、狗等身上都有穴位,基于数字经络理论可制定动物的针刺标准,指导机器人对动物进行针灸,而这一块恰是目前针灸未能开发的市场之一。

不过,同国内绝大多数医疗机器人企业一样,医疗行业对于机器人的要求算是较高级别。要真正实现临床应用和产业化,这些机器人还需大量临床实验。

虽已有50位(包括团队成员)的在校学生志愿试验,但眼下这款针灸机器人要做的,还是得走出校门,寻求商业世界的力量。