由中国生物医学工程学会主办，西安交通大学（生命科学与技术学院）承办，陕西省生物医学工程学会协办的第十届全国大学生生物医学工程创新设计竞赛于2025年7月19日-22日圆满举办。陈卫东教授、高安柱副教授指导的参赛项目“多轴力感驱动解耦的人工耳蜗植入手术机器人”在大赛中荣获先进技术赛道（研究生组）的全国二等奖。学生团队成员包括刘煌桦、徐峥、朱彬。
该参赛项目成果于今年发表在Nature Communications 杂志上，本文提出的人工耳蜗植入机器人基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Gratings, FBG）传感单元研制了高灵敏度、高分辨率、高精度的六轴植入力传感器，并结合气驱电极夹持器构成驱动感知解耦的手术器械，再配合定制化开发的球形并联机构（Spherical parallel mechanism, SPM）与六轴机械臂串联成的位移-姿态独立运动平台，可辅助医生提升人工耳蜗植入手术的精准性和安全性，降低手术难度和风险，造福医患双方。
人工耳蜗电极植入是重度感音神经性聋听力残疾的根治方法，全国约有需求患者数量740万人，而能熟练开展该术式的医生数量仅约为150人（至2022年，数据来源：医疗器械蓝皮书—中国医疗器械行业发展报告2022），仍面临着百万的患者需求缺口。由于人工耳蜗植入这一高难度耳显微外科手术对植入精准性、稳定性和安全性的苛刻要求，使得医生培训困难，导致该术式难以普及到全国各个地区。使用机器人来代替人手辅助医生实现电极植入操作能够有效改善操作精准性和稳定性。但由于耳蜗结构脆弱，过大的植入力会对患者的残余听力造成二次伤害，现有针对该术式的手术机器人或工具缺乏对植入力的多轴高灵敏度、高分辨率、高精度感知能力，医生在使用机器人时仍需要凭借经验来估计植入力的程度，难以将其量化与直观可视化，限制了手术安全性和效益的进一步提升。
针对这一临床术式需求，研究团队设计了多轴力感驱动解耦的人工耳蜗植入手术机器人，其器械末端具有位移-调姿独立运动的特点，符合术式操作需求；且可在术中实时感知六轴植入力以反馈给医生做操作调整，并克服了器械末端电极主动夹持器驱动对力传感的耦合干扰以保证力传感器读数的精确性。通过接近临床条件的人颞骨和头部标本实验研究，证明了所开发机器人的可行性，可实现实时植入力的量化与可视化，降低手术难度，有效提升了手术安全性。
图1 多轴力感驱动解耦的人工耳蜗植入手术机器人总体设计
视频1 SPM三轴远心调姿运动展示
本项目所提出的人工耳蜗植入手术机器人的整体构型设计如图1所示。机器人在患者头部和显微镜间的操作空间内辅助植入，机器人运动平台由六轴机械臂和球形并联机构（SPM）串联构成，SPM具有硬件上的远心运动特点（视频1展示），该远心点与气动电极夹持器中心重合，可实现对其在术中的三轴调姿运动。机械臂负责术前的粗定位和术中三轴平移，整体可实现电极夹持器具有位移-调姿运动独立的特点。
图2 气驱力感手术器械设计与参数建模分析
所提出的气驱力感手术器械如图2A所示，六轴力传感器由折弯基底和四根各带有3个FBG位点的光纤构成。在基底的四个截面上，设计了平行-倾斜的混合配置方式来成对布置FBG位点，能够实现六轴力感知分辨率的均衡。通过受力平衡分析，可构建六轴外力与各FBG波长变化量间的数学模型，并通过砝码加载实验对其进行标定，结果如图3所示。视频2进一步展示了使用羽毛给力传感器施加外力时的情况，其可实时感知六轴在毫牛级的外力波动。
图3 六轴力传感器半自动标定方法与结果
视频2 羽毛施加外力实时感知展示
在六轴力传感器末端固定了气驱动的电极夹持器，该夹持器具有U型凹槽，凹槽表面粘贴有一层柔性薄膜，构成充气可膨胀的气囊，如图2B所示。电极从夹持器的凹槽侧方放置，当气囊充气时电极被夹持，卸气时电极被释放。视频3左右侧分别展示了该夹持器气囊工作方式和电极夹持过程。
视频3 夹持器气囊工作方式和电极夹持过程
使用气驱作为电极夹持器驱动方式的目的在于避免对力传感器感知的干扰。相比于使用绳索或连杆进行夹持器传动的方式，其会对在夹持时对力传感器施加反作用力，从而干扰传感器对植入力的测量精确度。而气驱是一种与传输路径近乎无关的传动方式，且所开发的夹持器驱动气压仅为0.2bar，驱动的状态切换可以避免对力传感器读数的影响，即气驱-力感的解耦特性。图4C展示了该解耦验证实验结果，证明了该解耦特性的可靠性。
图4 样机系统搭建与气驱力感解耦验证结果
在搭建完原理样机后，研究团队与耳鼻喉科临床医生合作开展了面向人颞骨和头部标本的实验研究。医生通过操作手柄来控制机器人运动，并通过带有显微镜图像和实时植入力变化的交互界面引导操作。先进行了颞骨标本实验（右侧耳部），其过程和结果如图5和视频4所示，所使用的机器人植入速度为2mm/s，可以看到六轴力在植入过程中均以一种波动震荡的方式逐步上升。这一结果并不是由机器人的振动所造成的，而是由于医生根据其临床经验使用了一种步进式的植入手法，目的在于避免电极在耳蜗外发生屈曲，保证电极头端植入运动的有效传递。植入后对颞骨的CT扫描结果也证明了电极植入完全。
图5 人体标本实验布置与颞骨标本实验过程与结果
视频4 人体颞骨标本实验过程与结果（5倍速）
在颞骨实验完成后，研究团队进一步开展了人体头部标本实验（左侧耳部）。其过程和结果如图6和视频5所示，根据医生反馈，机器人的速度被降低设置为0.5mm/s。与颞骨实验相比，医生使用了连续的植入方法，使得头部实验的植入力上升更加平稳，且峰值也更小，处于植入力安全范围内。而后也通过CT扫描证明了电极植入完全。
图6 人体头部标本实验过程与结果
视频5 人体头部标本实验过程与结果（5倍速）
综上，研究团队提出了多轴力感驱动解耦的人工耳蜗植入手术机器人，通过混联构型设计实现了位移-调姿独立的机器人运动，所开发的六轴气驱力感手术器械能够实现毫牛级的植入力实时感知。通过接近临床条件下的人体颞骨和头部标本实验，证明了所开发的人工耳蜗手术机器人具备辅助医生植入电极的可行性，具有超越人手植入的运动精度和力感能力。未来将进一步提升该机器人的临床实用性，并在提升机器人智能化水平，和实现自主植入等方向开展研究。
原文：H. Gao, H. Liu, H. Jia, Z. Lin, Y. Zou, Z. Xu, S. Huang, H. Tan, H. Wu, W. Chen, A. Gao, Multi-axis robotic forceps with decoupled pneumatic actuation and force sensing for cochlear implantation. Nature Communications. 16, 1648 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56958-9.
