CAAI副理事长孙富春教授团队发表自主采集咽拭子机器人研究成果

特别针对新冠禽流感中咽拭子收集的高感染性，以及各大医院放射科采样室日常呼吸系统病原体检验处理过程中的传染信用风险，CAAI常务理事、清华大学软件工程与技术系孙平阳副教授带领项目组研制了咽拭子收集机器掌控系统，避免护理人员在新冠肺炎病原体样品及其他呼吸系统病原体采样处理过程中感染。学术论文成果Autonomous Oropharyngeal-Swab Robot System for COVID-19 Pandemic刊登在IEEE Trans. Automation Science and Engineering。

学术论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9901486

掌控系统将人工咽拭子收集处理过程中的被收集者重要信息识别、咽拭子收集、密封等处理过程同时实现半自动化。该掌控系统在采样处理过程中能够展开采样力检验反馈，唾液腺组织机构机械波交互能力，在人的鼻腔内透过深度影像展开鼻腔外部唾液腺采样地区展开精巧定位，能根据采样边线变化而自行调整，并且能掌控合适的采样力度，同时实现咽拭子的精确柔润收集。

掌控系统流程分为四个部份：拭子运载、测试者可视化、化石采样、化石存储。如下表所示图右图。在拭子运载期，读取臂将从罐子中截取拭子并将其运载到采样机器上。在市场主体可视化期，机器会检验市场主体的姿势并相应发出声响指令；待测试者正确坐好且采样地区暴露良好后，掌控系统将进入化石采样期，这需要机器实时以获取精确的精巧采样边线。以获取采样边线后，样品收集机器将引导 OP-swab 到达呼吸系统病原体所在的咽崁顶。同时，引入力/边线混合掌控方法，确保测试者的安全可靠和宽敞。在样品收集机器的每个关节的实际运动之后，采样边线被逐级细化。待采样处理过程完成后，在化石存储期，运载臂将化石存储在培养皿罐子中，可直接送入实验室展开进一步的核酸检验。

进入鼻腔部份为咽拭子收集后端，附有听觉模块对鼻腔外部展开影像收集。透过末端机构的力感官重要信息及唾液腺的影像重要信息，透过听觉和感官的融合对操作处理过程展开精巧交互，以确保咽拭子收集部位的精确、动作的精确及操作的安全可靠。

咽拭子收集后端最重要部份为主动机械波驱动器，起到掌控针头接触唾液腺粘膜组织机构的阻力作用。动力系统驱动器包括掌控板、阻力感应器、直角固定式、照明设备，咽拭子可沿直角固定式顺滑移动，阻力感应器位于直角固定式另一侧，另一侧透过弹簧相连咽拭子针头，另一侧与直角转换器的动力系统输出端相连，可以检验咽拭子所受的反向阻力，进而得到咽拭子触及唾液腺柔软组织机构时的阻力值。部份精神力量序列如下表所示图右图，根据先前研究，当收集精神力量低于0.6N时，会使得采样对象感到不适；而当精神力量低于1N时，会有产生损伤的信用风险。数据表明，掌控系统的大部份采样力低于0.6N，处于宽敞范围内，当诱发反射在极端情况下，掌控系统检验到精神力量达到设定共振频率后会在20ms内做出反应，进而确保采样的宽敞性与安全可靠性。

鼻腔内采样动作规划。咽拭子擦拭地区为鼻腔外部软腭附近边线的弧形地区，目标边线以及目标地区固定，咽拭子收集后端的运动包括以下2个运动：（1）咽拭子及力控部份向鼻腔内深入的运动，称为进给运动，由三轴平台完成；（2）收集区擦拭的运动，称为圆弧曲线运动，由三轴平台配合负责摆动的转换器电机完成采样。

除掌控系统自带的过力保护功能外，还设有双向急停开关键，能让被收集者在感觉不适时、护理人员发现异常时迅速安全可靠地暂停掌控系统，使得机器更具人性化。护理人员可以在远离被收集者的观察台前观察，这样既保护了护理人员，又保障了整个自动化采样处理过程的安全可靠可靠性。该掌控系统同时具有友好的语音操作提示，全程指引被收集者做出精确的操作步骤。经过测试，所开发的机器掌控系统的采样有效性可以达到核酸筛查的要求，并支持单检与混检多种模式，且患者采样的宽敞性显著低于人工采样宽敞性。

整个掌控系统可以半自动完成重要信息收集、可视化指引、样品收集、封装等处理过程，可有效缓解医护阻力，为大规模核酸采样提供了有效的解决方案。目前机器已经成功在多个医院及社区开展了示范应用，并在2022年日内瓦国际发明展中获得银奖。

F. Sun, J. Ma, T. Liu, H. Liu and B. Fang, "Autonomous Oropharyngeal-Swab Robot System for COVID-19 Pandemic," inIEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2022, doi: 10.1109/TASE.2022.3207194.（Corresponding author:fangbin@tsinghua.edu.cn）

本文由CAAI认知掌控系统与重要信息处理专委会供稿