机器人外科医生为人类做手术

世界科学2021-04-06 16:18:12

● 未来,外科手术室将由精准而灵巧的手术机器人来接管。

在病人被打开的血肉模糊的腹腔内,外科医生迈克尔•斯蒂菲尔曼(Michael Stifelman)正在精心控制两个机械手臂给一根手术缝线打结。接着他又操纵着第三个机器人手臂驱动缝合针刺入病人肾脏的肌肉层,将原先肿瘤所在位置留下的切口缝合起来。最后一个机械臂负责手持内窥镜,将视觉信息源源不断地传送到斯蒂菲尔德的显示屏上,每个机器人手臂都可以通过大约只有5毫米宽的小切口进入患者体内。

观看这个复杂而精细的手术过程,人们不由会惊叹,当机器人与人类协同工作时会创造什么样的奇迹。斯蒂菲尔曼是纽约大学朗格尼机器人手术中心主任,通过完美控制机器人手臂的动作,他已经和机器人合作做了几千例这样的手术。只要转动手腕或捏紧手指,伸入病人体内的机械臂就会忠实地执行与他一模一样的动作,但动作的幅度比他要小。“这个机器人已成为我的助手。”斯蒂菲尔曼在机械臂打紧一个手术缝合线结头的时候说道。

机器人外科医生


但是这样的场景如果看在一些机器人专家的眼里,机器人灵巧的性能不再是一个现代奇迹,而是对机器人潜力的一种浪费。毕竟,斯蒂菲尔德是一位训练有素的医学专家,拥有精湛的外科手术技术和精准的判断能力,然而他却要花费宝贵的时间进行手术缝合和手术后的一些处理。如果让机器人自行处理这类单调乏味的任务,就可以让外科医生从繁重的日常手术中腾出时间来,去做更多重要的有意义的工作。

今天的手术机器人是外科医生能力的扩展,手术机器人在手术中不会发生因长时间手术而手会颤抖等现象,并且能够完成最好的外科医生也感到棘手的一些手术,如以典型的长柄工具进行的腹腔镜手术,但这些机器人充其量只是由人类直接控制的更高级的工具而已。许多人认为,如果机器人发展为能够做决定并独立完成分派给他们任务的自主机器人,将在医学领域内更好地为人类服务,手术机器人公司泰坦医疗执行副总裁丹尼斯•福勒(Dennis Fowler)是持这一观点的人之一,“这将成为提高外科手术可靠性、减少人为错误的一种技术干预措施。”福勒说道。在从事实业之前,福勒曾做过32年的外科医生。

提升机器人的“工作能力”并非遥不可及,所涉及的大部分技术在一些学术和工业实验室都处于快速开发之中。实验机器人可通过人体组织的橡胶模型练习缝合、清创、切除肿瘤等手术动作。在一些机器人与人类“竞赛”的实验中,机器人做手术比人类外科医生更精确、更高效。就在不久前,华盛顿一家医院在缝合猪小肠真实组织的演示中,机器人系统也表现出同样的优势。研究人员对自主机器人和人类外科医生的手术结果进行比较后发现:在同样的手术中,机器人缝合得更均匀、更严实。


上一代手术机器人Si,2014年曾于巴黎一家医院里做过子宫切除术(左);最新的达芬奇手术机器人Xi(右)

虽然这些机器人系统还没有做好为人类患者做手术的准备,但却代表了外科手术的发展方向。这也许是一个敏感话题,意味着未来外科医生有可能会失业。这样的逻辑推断曾被用于生产装配线,如今也被用于机器人接管手术室,如果增加机器人的自主性可提高生产效率,没有人会阻止这种趋势;如果增加手术机器人的自主性可提高手术精准度和成功率,我们又何乐而不为呢?

伦敦帝国理工学院讲师、外科医生胡坦•阿什拉斐恩(Hutan Ashrafian)对机器人外科手术颇有研究,并经常撰文评价人工智能在医疗卫生领域的发展潜力。他认为自主手术机器人是一个“不可阻挡”的趋势。阿什拉斐恩预测,在可预见的未来,手术机器人可以在外科医生的指令下执行一些简单的任务。“我们的目标是提高手术成功率,如果使用机器人意味着可以拯救更多生命、降低手术风险,那么我们就要义无反顾地利用它们。”他说。

展望未来,阿什拉斐恩说道,医学界采用具有人工智能、能自主做决定的下一代手术机器人是完全可能的,这样的机器人不仅可以处理常规任务,还可以接管整个手术。虽然目前看来还不太现实,但技术创新之路最终会引导我们走向那一步。“我们在循序渐进地前行,尽管每一次迈出的步子都不大。我现在的手术室模样,是50年前的外科医生根本想象不出的。可以预计,从现在起50年后的外科手术也将会是一个完全不同的世界。”他说。

手术机器人面临多种挑战


手术机器人自己做决定,独立做手术的例子也许比我们想象中的要多。例如,在视力矫正手术中,机器人系统可切下病人的一小片角膜,然后发出一系列激光脉冲重塑其内层;在膝关节置换手术中,自主机器切开骨骼的精确程度要远胜于人类外科医生;在头发移植手术中,智能机器人能够识别并采集病人头部健壮的毛囊,然后精确地在头皮上需要植发的地方钻出一些小孔,为人类外科医生节省了大量重复劳动的时间。

那些涉及胸部、腹部和骨盆部位软组织的手术要面临更复杂的挑战。每个病人在解剖学上的结构都会稍有不同,因此自主机器人必须善于辨别湿软的内部器官和弯弯曲曲的血管。更重要的是,在手术过程中,病人的内脏也有可能发生移位,因此机器人还必须要不断地调整修改其手术计划。

机器人还必须要有处理危机的可靠能力。让我们再回到纽约大学手术中心的机器人手术演示中,在切除肿瘤的过程中,斯蒂菲尔曼松开动脉止血钳察看情况,“我们要确定不会出现大出血。”他用内窥镜在手术后的肾脏周围观察着。大多数切口缝合得都非常完美,但突然屏幕上喷涌出汩汩的鲜红色液体,“看到了吗?这里需要再缝合一下。”他给助手下了指令。切口被迅速缝好,血被止住。斯蒂菲尔德继续手术后的常规清理工作。

 

手术缝合机器人:加州大学伯克利分校机器人专家肯•戈德伯格正在为达芬奇机器人的手术切口缝合程序编程,他编制的软件可让机器在执行任务的过程中自主学习

对于斯蒂菲尔德来说,这只是他日常工作的一部分。但机器人外科医生将会如何处理这种意外突发事件呢?首先,计算机成像和视觉系统需要能识别这种突然喷出的红色液体意味着出现了极为严重的问题,下一步通过其决策软件确定了尽快缝合伤口这一最佳方案,然后机器人将决定付诸行动,操纵缝合针和缝合线将伤口缝合起来。最后,评估程序对处理结果进行评估,确定是否还要采取进一步的行动。让机器人掌握这每一个步骤:感知问题、做出决策、采取行动、对处理结果进行评估,每一步对于机器人设计工程师都是巨大的挑战。

有学习能力的机器人


在哈肯萨克大学医学中心,斯蒂菲尔曼在他的机器人助手达•芬奇的协助下进行手术。加州森尼维尔市“直觉手术机器人公司”的这台机器人成本高达250万美元,是唯一获得美国监管机构批准的软组织手术机器人系统。世界各地有3 600多家医院安装了达•芬奇机器人系统,在全球外科手术机器人市场上独占鳌头。但其商业上的成功并非一帆风顺,机器人在手术台上的失误和事故也引发了多次诉讼事件。一项研究发现,此类事故之前显然被低估了。由机器人外科医生做腹腔镜手术是否强于人类医生,在外科医生中也引发了争论,但尽管有这样那样的争议,许多医院都接受了直觉手术公司的这项技术,许多病人也在争取让机器人为他们做手术。

达•芬奇机器人的手术过程是在完全控制之下的,没有人类医生的操纵,机器人手臂只是呆滞不动的塑料和金属碎片而已,只有当医生在控制台上操纵时,它才会动起来。直觉手术机器人公司表示,目前将继续保持这样的状态,负责先进系统开发的西蒙•迪迈奥(Simon DiMaio)说道,机器人专家正在朝着更高的目标努力,未来人类外科医生在手术中将得到计算机系统更高层次的协助或引导。

迪迈奥以早期自动驾驶汽车的开发过程比拟这一领域的研究,“第一步是要能识别道路标志、障碍物、汽车和行人。”他说。下一步是让智能汽车通过对周围环境的识别为人类司机提供帮助。比如,智能汽车通过感知周围车辆的位置,在司机考虑不周想要变道时发出警告,手术机器人同样可以在医生的手术器具偏离常规时发出警示。

加州大学伯克利分校肯•戈德伯格(Ken Goldberg)的实验室里,一台手术机器人已经可以灵活熟练地缝合创口,但还不会打结。在一块模拟肌肉上,一个机械人手臂将弯曲的缝合针穿过模拟伤口的两片边缘,第二个抓取器在另一头抓住缝针,将缝线收紧,然后自主机器人将针移回来,开始下一针。没有人类的手引导机器人手臂的活动,也没有人类大脑来指导机器人的这一系列的动作过程。

作为伯克利实验室自动化科学与工程的负责人以及包括电气工程和艺术在内四个专业的教授,戈德伯格在机器人领域内已取得惊人的成就。墙上悬挂着的他自己的画像,就是他创造的早期机器人的“美术作品”之一。

他实验室里被缝合的“肌肉”只是粉红色的橡皮,但却将发展成为一项真正了不起的技术。2013年,直觉手术机器人公司开始向世界各地的大学捐赠达•芬奇机器人系统。当戈德伯格教他的达芬奇如何独立执行手术任务时,从理论上来说,相同的程序可让商业机器人系统给真正的病人动手术。“我们目前只是在测试车道上驾驶,”戈德伯格说道,“但是有一天我们将能够真正上路。”他相信在未来10年里将能够实现简单手术任务的自动化。

在执行自动缝合任务中,戈德伯格的达•芬奇机器人每一针都会计算好最佳入口点与出口点,计划好运针的轨迹,并通过定位传感器和摄像装置跟踪缝针的动作,明黄色的缝针让计算机视觉系统可轻易识别。尽管如此,对于机器人来说,完成这个任务仍然是一个艰难的挑战。戈德伯格发表的研究结果报告称,机器人只能完成四针程序的50%,大多数失误通常是因为第二个抓取器未能及时抓住缝针,或者是缝针被缝合线缠住。

戈德伯格教授想要人们清楚这一点,即使机器人已经非常擅长并能熟练完成常规手术任务,他仍希望有人类外科医生在一旁对机器人进行监管。戈德伯格设想的是一种“有监督的自主权”,即仍然要在人类外科医生的掌管之下。“一些较低层次的操作可由机器人来处理,重复工作中的精度和均匀性是机器人的优势。”他说。他相信,未来机器与人的合作将造就“超级外科医生”。

戈德伯格预测,外科手术机器人将很快得到完善并投入临床使用,因为它们已经开始了自主学习。他的研究小组在“通过演示学习新能力”的最新实验中,八名不同技能水平的外科医生利用机械臂执行四针缝合任务,达•芬奇机器人记录数据,机器学习算法获取视觉和运动数据,将缝合过程中的每一针都分为按顺序处理的几个步骤(针的定位、针的推进等),达•芬奇机器人有可能通过这种方法学会做任何外科手术。

戈德伯格认为通过示范学习新的技能是唯一有效的方法。“我们认为机器人学习是如今最有趣的领域。”他说。当然,大量复杂的任务需要机器人通过成千上万次的数据分析才能掌握。戈德伯格指出,每年外科医生与达•芬奇合作的外科手术达50万个以上,可以给机器人提供足够多的数据。如果说外科医生可以共享所有这些手术的数据,那么人工智能又能从中学到些什么呢?每次外科医生使用辅助机器人成功缝合肾脏的伤口,人工智能就可以加深对这一手术过程的理解。“系统可以提取数据,改进算法,对工作任务进行精细调整。”戈德伯格说道,“我们和机器人一起进步,大家都变得更聪明。”

将手术刀交给机器人


手术室里的自动化并不只是涉及缝针、手术刀以及其他危险的器具。有两家公司如今正准备推向市场的手术机器人开发的自动摄像装置,可给外科医生提供他们所想要的任何视景,就好像提取大脑里的信息一样方便。目前外科医生使用的直觉手术机器人公司的达•芬奇机器人必须停止正在做的事情,才能够移动摄像机对准医生所想要观察的部位。

北卡罗来纳州莫里斯维尔市的TransEnterix公司开发的比达•芬奇机器人更先进的Alf-X手术系统目前已在欧洲投入使用。该系统包括一个视线跟踪器,可让外科医生通过观察仪控制内窥镜的移动。这个跟踪器实际上是一个薄型的光纤摄像机,可蜿蜒进入病人的体内。当外科医生在视图屏幕上扫视时,Alf-X配合移动摄像机,让外科医生可以看到框架中心的兴趣点。“外科医生的眼睛成为了电脑鼠标。”TransEnterix公司首席技术官安东尼•费尔南多(Anthony Fernando)解释道。

多伦多泰坦医疗公司的运动型外科手术系统采用了不同的自动成像技术,该系统将微型机器人摄像机插入体腔,根据外科医生使用工具的位置不断旋转和定位。这种类型的自动化技术的出现意味着机器人手术已走出了重要的第一步,福勒说道。公司申请获准今年在欧洲市场推出这项技术,明年在美国推出。福勒认为这个机器人摄像系统不会有什么问题。“如果说自动化意味着是用计算机来控制实施手术切割的工具,我们预计它还将需要更多额外的测试。”他说。


加州大学伯克利分校的机器人外科手术专家组,左起:西达思•塞恩、斯蒂芬•麦金利、劳伦•米勒、阿里麦什•加格、艾米•冈卡尔维斯和肯•戈德伯格

直觉手术机器人公司将很快面临大的竞争对手。美敦力公司,世界上最大的医疗器械公司,正在研发一种外科手术机器人系统,但对于具体内情不予置评。同样,谷歌与强生公司于去年联合创办了名为Verb Surgical的手术机器人公司,这家公司正在研发一种名为“先进机器人能力”的系统,该公司在一次新闻发布会上说道。根据这些动向,分析师预测机器人市场将出现新的繁荣景象。最近一份报告称,全球腹部手术机器人市场(达•芬奇机器人及其竞争对手这一类别的机器人)将从2014年的22亿美元增加到2021年的105亿美元。

如果机器人外科医生普遍出现在手术室里,我们信任它们为病人做更复杂的手术似乎也是顺理成章的了。如果机器人证明它们是可靠的,是可以信任的,人类外科医生的角色将可能会发生戏剧性的变化。也许有一天,外科医生给病人看病会轻松得多,他们只需要为病人诊断病情,决定治疗方案,然后监督机器人执行命令就可以了。

伦敦肥胖症外科手术医生阿什拉斐恩对人工智能很感兴趣,他认为外科医生会欣然接受这种改变。纵观医学史,外科医生们一直“痴迷于提高他们的手术水平”。为此,他们愿意接受任何证明有用的新工具。“没有人只凭一把手术刀就可以做手术。”阿什拉斐恩说道。如果自主机器人的能力足以完成手术任务,这一原则也将继续适用。为追求完美,外科医生愿意最终将动手术的“权利”从自己手中交到机器人手中。

机器人外科医生


能够自主做决定并独立做手术的智能外科系统已被用于多种类型的外科手术中。

脊柱手术

Mazor机器人公司的引导机器人利用病人的CT扫描片子,为外科医生的工具定位框架,精度可达±1.5毫米。

植发手术

 在植发手术中,修复机器人系统可识别和收集毛囊,将它们切削下来,并为移植手术在头皮上切割微小切口。

眼科手术

在激光视力矫正手术中,不同机器人公司设计的机器人系统可用于重塑患者的角膜,并通过发射激光脉冲校正视力。

髋关节和膝关节置换手术

在关节替代手术中,Think Surgical公司的机器人能以精准的角度切开骨骼,尽可能保证人工膝关节与患者关节的完美结合和稳定性。

癌症肿瘤放射治疗

安科锐公司的机器人放射治疗系统可针对肿瘤进行高剂量放射治疗。


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