便携式口咽拭子采样机器人系统

　　研究意义

　　全球新冠肺炎疫情正常，对咽拭子样本核酸检测需求量很大。其中，口咽拭子采样是疫区大规模人群筛查最重要的采样方法。

　　(图源:网络)

　　但医护人员在取样时，需要用口咽拭子近距离取样受试者的双侧扁桃体和咽后壁，造成医护人员与受试者交叉感染的风险较高;

　　在大规模咽拭子采集过程中，医务人员工作强度高，容易疲劳，难以保证长期规范采样;

　　医护人员不同的采集技能可能导致采样动作不规范，导致采样不合格，受试者感觉不舒服。

　　口咽拭子采集系统由机器人辅助，可以摆脱繁重的采集工作，降低交叉感染的风险。

　　因此，足大规模人群筛查场景下安全、准确、便携、连续取样的需要，迫切需要对口咽拭子取样机器人系统进行研究。

　　(图源:网络)

　　近两年来，国内外多家研究机构开展了咽拭子采集机器人系统的发展。根据系统的采样模式，可分为遥控式、自助式、半自主式和自主式。根据系统末端的采集结构，可分为刚性、刚性、柔性耦合、柔性等系统，为咽拭子采集机器人系统的后续发展奠定了坚实的理论基础和临床应用示范。

　　然而，在新冠肺炎疫情常态化和核酸检测常规化的背景下，大部分开发的咽拭子采集机器人系统仍存在以下不足:

　　(1)在独立咽拭子取样系统中，采集机构的设计往往比较复杂，存在体积大、冗余自由度大、便携性差等问题;它往往受到场地和通信需求的限制，不适合在任何收集场景下快速部署，便携式收集难以实现。

　　(2)虽然远程操作采集系统可以防止医护人员感染，但并不能从根本上解决医护人员工作量大、容易疲劳的问题;医护人员需要在系统采集前进行专门培训，采样动作不规范，难以实现持续准确采集。

　　(3)目前开发的所有咽拭子采集机器人系统都没有很好的解决设备消毒问题，可能导致受试者在采集过程中交叉感染，难以实现安全采集，对疫情防控造成潜在的巨大威胁。

　　本文工作

　　针对疫区短时间内的大规模人群筛查需求，设计开发了便携式半自主咽拭子采样机器人系统，突破了采样、消毒、电控一体化、小型化集成技术，提升了人机一体化的智能交互体验，实现了采集系统的快速部署。

　　该系统具有体积小、结构紧凑的特点(图1(a))，系统配有电池模块(图1(b))，可以长时间可靠稳定地工作，在任何采集场景下实现便携、连续、快速的部署。

　　设计消毒范式。每次采集完成后，控制消毒泵对采集区域进行雾化喷射消毒(图1(b))，防止人员交叉感染，实现安全采样。

　　通过显示器端的视频演示和语音提示(图1(c))，采集系统将部分简单操作交给受试者完成，并根据采集流程指导受试者逐步操作。

　　通过语音提示，咽拭子采集区域识别算法引导受试者调整头部姿态，独立识别采集部位，实现精准高效的采样。

　　通过构建感知空间、状态空间和操作空间，在采集过程中实现了受试者与采集机构之间的动态交互，实现了舒适的采样。

　　实验结果

　　为降低员工感染风险，将咽拭子取样机器人系统放置在负压室内，进行相应的消毒工作，组织一批志愿者对样品的有效性和取样效率进行实验验证。

　　根据样品采集有效性检测过程，对11名受试者进行机器采样和人工采样。机器采样组和人工采样组采样样的Ct值、平均值和标准误差值的比较结果如表1所示。通过咨询专业检查35时，口咽拭子采集样品可视为合格样品，适用于下一个病毒核酸检测过程。

　　两个对照组的可视化Ct值散点图如图8所示。机器采样和人工采样的有效性差异不明显，PCR扩增后可检测到阳性细胞参数。如图9所示。可见，机器采样具有相似的Ct中值和较低的数据离散度，与人工采样相比。

　　为了比较人工采集和机器采集的采样效率，召集了14名志愿者进行口咽拭子样本采集实验。

　　人工采集组总共需要7分钟。在此期间，医务人员在收集完一名志愿者后，按照标准操作规程对手进行消毒。

　　机器采集组总时间为13分钟，其中咽拭子机器人系统准备2分钟，系统教学5分钟，14名志愿者连续采集6分钟。

　　虽然手动采集组在总时间上优于机器采集组，但机器采集组在实际连续口咽拭子采集中的时间比手动采集组少，大部分时间花在系统准备和系统教学上。

　　由于采集系统稳定性好，可稳定备用或连续运行，设备部署时只需完成一次系统准备，移动部署效率较高。

　　然而，在收集之前进行的系统教学需要更多的时间来训练志愿者如何标准化地佩戴咬口器。如何设计适用、易于使用的咬口器，减少教学时间，是未来收集系统需要改进的方向之一。