第1章绪论
现代医疗技术中，核酸检测被广泛应用于病毒感染的筛查与诊断。然而，传统的核酸咽拭子采集方式需要专业人员进行操作，且存在传染风险。因此，自助式核酸咽拭子采集机器人的研发具有重要的临床应用价值。本书将围绕核酸咽拭子采样自助机器人展开，全面讨论其设计、应用以及未来发展方向。
1.1研究背景与意义
自2019年12月以来，新型冠状病毒（COVID-19）肆虐全球[1]，给人们的日常生活、身体健康带来了极大不便和严重威胁，给社会经济发展造成了极大损失。新冠病毒的检测方法主要包括核酸检测（荧光定量RTPCR）和抗体检测[2]。目前，确诊新冠感染最主要的检测手段是通过采集咽拭子样本方式进行核酸检测[3]。
核酸检测的物质是病毒的核酸。核酸检测是通过查找患者的呼吸道标本、血液或粪便中是否存在外来入侵病毒的核酸，来确定是否被新冠病毒感染。因此一旦检测为核酸“阳性”，即可证明患者体内有病毒存在。新冠病毒感染人体之后，最先会在呼吸道系统中进行繁殖，因此可以通过检测痰液、鼻咽拭子中的病毒核酸判断人体是否感染病毒。所以，核酸检测阳性可以作为新冠病毒感染确诊的标准。
正常人咽峡部应有口腔正常菌群，而无致病菌生长。咽部的细菌均来自外界，正常情况下不致病，但在机体全身或局部抵抗力下降和其他外部因素影响下会出现感染而导致疾病。因此，咽拭子细菌培养能分离出致病菌，有助于白喉、化脓性扁桃体炎、急性咽喉炎等的诊断。由于呼吸和食物都通过口腔，所以口腔中会有形形色色的细菌寄生。流感是通过呼吸道传播的，咽部是此类病毒聚集较多的地方。咽拭子标本就是用医用的棉签，从人体的咽部蘸取少量分泌物，采取的样本就是咽拭子标本，为了检验呼吸道疾病病毒类型，往往通过咽拭子方便快捷准确地检测出该病毒类型。
咽拭子和核酸检测既有区别又有联系，核酸检测方式有鼻拭子、咽拭子、肛拭子、气管镜和肺泡灌洗，咽拭子只是其中一种核酸检测方式[4-7]。疫情期间，存在确诊病人通过多次咽拭子检测仍无法检测出新冠病毒的情况，此时需要通过肺泡灌洗的方法找到新冠病毒[8]，部分患者通过鼻拭子、肛拭子等方式也可以检测到新冠病毒。咽拭子检测需要在咽后壁，主要是扁桃体弓的位置，左右两边各刷三下，提取脱落细胞，进行细菌培养，做非典型病原体的培养和寻找[9]。另外还可以进行涂片，再寻找病原菌。此外，咽拭子检测也可用于流感等呼吸道病毒的检测。
咽拭子采样自助机器人系统进行核酸检测的总体流程主要包含：扫码、取管、采样和样本收集四个环节。而核酸采样环节时间紧、任务量大、采样人员多，同时采样频率高、周期长，加上不可预测的突发性全员核酸检测时有发生，给核酸咽拭子采样工作带来了极大困难[10]。
通过以上分析，咽拭子核酸采样模式存在以下难题：
**，要求“指定时间、指定地点”由“指定医务人员”进行核酸咽拭子采样。这种“聚集式”核酸采样过程不仅交叉感染风险大、安全隐患高，严重影响到人们的正常工作与生活，也造成医院日常运转的医务人员缺乏，正常就医很难保障。
第二，夏天核酸采样时，天气炎热，造成防护服内温度高、湿度大，导致核酸采样人员头晕、恶心，自身防护难度加大。
第三，在核酸咽拭子采样过程中，医护人员需要与被采样人员近距离接触，被采样人员咳嗽、用力呼吸等都会产生大量飞沫或气溶胶，会极大增加医护人员与被检测人员、被检测人员与被检测人员在采样过程中交叉感染的风险。
第四，核酸咽拭子采样时，需要准确地对待检人员的咽后壁和扁桃体腺侧壁来回刮拭2～3次才能完成取样，如果采样部位不符合条件将无法达到检测效果。而采样人员的手法、经验、疲惫程度等因素对核酸咽拭子采样质量都有很大影响，容易造成采样质量不统一。
为了减少医护人员的工作负担，降低交叉感染风险，提高核酸咽拭子采样质量，本书率先提出了“人机协同自助采样”的核酸咽拭子采样理念，即被检测人员自助完成咽拭子取样，机器人进行采样有效性判别。
1.2咽拭子釆样机器人国内外研究现状
与传统的人工采样相比，智能机器人采集核酸具有机械无疲劳的特点，能够提高检测效率，同时也减少了医护人员的感染风险[11，12]。一旦机器在国内广泛使用，一方面可以解决人员缺乏问题，另一方面也能有效降低新冠病毒的传播。因此，以无人的、非接触性的机器人承担采样工作，替代重复性的人力劳作，变得势在必行[13]。机器人替代医护人员进行核酸咽拭子采样，可以减轻医护人员的工作强度和精神压力，降低医护人员交叉感染的风险，提高核酸检测采样的准确率[14]。
咽拭子采样机器人具有以下优点：
**，采集简便、早期识别、易普及。上呼吸道咽拭子核酸检测一分钟内即可采集完成，无须借助任何仪器设备。
第二，降低假阴性。由于医务人员在采集咽拭子标本时直面被采样人员口腔，担心被采样人员飞沫和气溶胶传播扩散病毒，容易在采集咽拭子时操作粗糙，或者取样时间较短，导致咽拭子假阴性[15]。如果医务人员可与被采样人员保持一定距离采样，能够更好地保护医护人员避免交叉感染，同时咽拭子采样机器人统一了采集的方式，势必能更加规范采样操作，获得更高质量的标本。
第三，不良反应少，被采样人员易配合。咽拭子为可直视操作，不良反应少，更容易让被采样人员配合及接受。
科学技术日新月异，人工智能、高速网络、精准控制、自动化技术不断发展，智能机器人应用日趋成熟，逐步应用于生活的各个领域。国内外已陆续报道有多款咽拭子采集机器人投入到疫情防控中。
1.2.1国外咽拭子采样机器人研究现状
2020年6月，韩国大邱融合技术研究中心和东国大学研究组成功研发一款机器人，能够实现医务人员远程从被采样人员的上呼吸道采集核酸检测标本[16]，如图1-1所示。
据有关报道介绍，该机器人主要由医疗团队操作的“主机”装置和与被采样人员接触的“子机”装置组成。装有可从鼻子和嘴中提取样本的一次性棉棒“子机”装置，会根据医务人员操控的“主机”指令，上下左右或者旋转移动。此外，医务人员可以通过影像实时确认棉棒的位置操控机器人，还可以调节插入棉棒时所需的力量，提高样本采集的准确度和安全性。东国大学医学院教师金南熙表示，该机器人不仅可以*大限度地减少医务人员的感染风险，还可以减少采集样本时穿戴防护装备所带来的不便。
2020年10月，日本川崎重工推出一款核酸检测机器人，如图1-2所示。该机器人在获取检测样本后，80分钟内可出检测结果[17]。整个检测系统由10台机器组成。被检测对象只需要自行将唾液等检测样本放入专用的试管，整个检测过程可以实现工作人员与被检测对象的零接触，有效降低检测人员的感染风险。
图1-2日本川崎重工推出的核酸检测机器人
1.2.2国内咽拭子采样机器人研究现状
1）清研院新一代咽拭子采样机器人
2020年5月，烟台清科嘉机器人联合研究院与清华大学现代机构学与机器人化装备实验室[18]联合研发的咽拭子采样机器人问世，如图1-3所示。
在使用中，被采样人员需领取一次性专用咬口器自行安放到箱体指定位置，将个人二维码放置到箱体指定区域进行扫描，随后根据机器人系统语音提示便可完成采样，机器人会对样本进行自动化收集、封存到专用设备，并对系统进行自动消杀，很大程度避免人员密集及人员接触。该机器人可自动进行力觉反馈和视觉监控，采样过程全自动，降低感染风险，有效解决人手不足问题，并实现信息上“云”，支持后台实时查询核酸检测数据。同时，拥有三层安全防护，设备全封闭，采样完成后实时卫生消杀，降低感染风险。
2）SAIRI赛瑞智能核酸采样车
2022年5月，由上海人工智能研究院与奇瑞控股集团、节卡机器人合作开发出了SAIRI赛瑞智能核酸采样车，能够代替人力完成整个核酸采样过程[19]，如图1-4所示。
该款核酸检测机器人的突出特点为：
（1）运用机器视觉原理。凭借视觉传感器，能够识别人脸位置，以及嘴部张开动作是否符合采样要求。如果符合，机械臂就把棉签伸入，再用内窥视觉系统检测口腔内环境，识别出扁桃体，引导棉签采集扁桃体附近的分泌物。
（2）力位混合控制。力控传感器能实时反馈力控数据，将机械臂的力量参数控制在安全阈值内，而又能在真正接触到采样点时，保证力度可以完成有效采样。
（3）机械臂的协调控制。采样完之后，两个机械臂把采样棒和试剂管进行正确匹配。
3）全自动核酸米样机器人
2022年7月，上海大学成功研制出全程无接触、高度自动化智能化的核酸采样机器人[2。]，如图1-5所示。
该款核酸采样机器人具有“全自动、非接触、大通量、高快速、云监控”等特色，它将灵巧机械臂和小型自动化生产线有机融合为一体，从拭子剥离、定位夹取、试管上位、试管扫码、口腔采样、样本剪切、试管到采样末端部位消毒等全流程实现了真正的“全程自动化”。该采样机器人灵巧机械臂和自动化生产线“完美配合”，实现了多节拍同步，提高了采样效率；另外，智能友好的音视频人机交互界面系统大大增强了采样者体验。“云端远程监控”随时掌控采样数据和设备运行状态，保障核酸采样机器人高效稳定运行。
4）法奥意威核酸检测机器人
2022年7月，法奥意威（苏州）机器人系统有限公司研发中心也推出了自主研发的、加强版的核酸采样机器人，在30秒左右即可完成一次核酸采样[21]，如图1-6所示。
该款核酸检测机器人具体的采样流程为：
采样开始前，机器人协同操作采样管的开闭盖和扫码、咽拭子的抓取和标定；然后，被采样人员来到采样窗口，通过镜头识别口腔位置，系统自动将采样管和身份信息绑定并上传至公共卫生检验平台。采样时，机械臂利用3D视觉和力控技术带动采样棉签进入口腔，左右转动采样；最后，机械臂自动剪断拭子并对准试管塞入，机械臂将对应的试管盖拧紧，再放到底部试管架，完成采样任务。