方陵生/編譯

機器人外科醫(yī)生為人類做手術(shù)

方陵生/編譯

· 未來，外科手術(shù)室將由精準(zhǔn)而靈巧的手術(shù)機器人來接管。

在病人被打開的血肉模糊的腹腔內(nèi)，外科醫(yī)生邁克爾·斯蒂菲爾曼（Michael Stifelman）正在精心控制兩個機械手臂給一根手術(shù)縫線打結(jié)。接著他又操縱著第三個機器人手臂驅(qū)動縫合針刺入病人腎臟的肌肉層，將原先腫瘤所在位置留下的切口縫合起來。最后一個機械臂負(fù)責(zé)手持內(nèi)窺鏡，將視覺信息源源不斷地傳送到斯蒂菲爾德的顯示屏上，每個機器人手臂都可以通過大約只有5毫米寬的小切口進(jìn)入患者體內(nèi)。

機器人外科醫(yī)生

但是這樣的場景如果看在一些機器人專家的眼里，機器人靈巧的性能不再是一個現(xiàn)代奇跡，而是對機器人潛力的一種浪費。畢竟，斯蒂菲爾德是一位訓(xùn)練有素的醫(yī)學(xué)專家，擁有精湛的外科手術(shù)技術(shù)和精準(zhǔn)的判斷能力，然而他卻要花費寶貴的時間進(jìn)行手術(shù)縫合和手術(shù)后的一些處理。如果讓機器人自行處理這類單調(diào)乏味的任務(wù)，就可以讓外科醫(yī)生從繁重的日常手術(shù)中騰出時間來，去做更多重要的有意義的工作。

今天的手術(shù)機器人是外科醫(yī)生能力的擴展，手術(shù)機器人在手術(shù)中不會發(fā)生因長時間手術(shù)而手會顫抖等現(xiàn)象，并且能夠完成最好的外科醫(yī)生也感到棘手的一些手術(shù)，如以典型的長柄工具進(jìn)行的腹腔鏡手術(shù)，但這些機器人充其量只是由人類直接控制的更高級的工具而已。許多人認(rèn)為，如果機器人發(fā)展為能夠做決定并獨立完成分派給他們?nèi)蝿?wù)的自主機器人，將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)更好地為人類服務(wù)，手術(shù)機器人公司泰坦醫(yī)療執(zhí)行副總裁丹尼斯·福勒（Dennis Fowler）是持這一觀點的人之一，“這將成為提高外科手術(shù)可靠性、減少人為錯誤的一種技術(shù)干預(yù)措施?！备＠照f道。在從事實業(yè)之前，福勒曾做過32年的外科醫(yī)生。

提升機器人的“工作能力”并非遙不可及，所涉及的大部分技術(shù)在一些學(xué)術(shù)和工業(yè)實驗室都處于快速開發(fā)之中。實驗機器人可通過人體組織的橡膠模型練習(xí)縫合、清創(chuàng)、切除腫瘤等手術(shù)動作。在一些機器人與人類“競賽”的實驗中，機器人做手術(shù)比人類外科醫(yī)生更精確、更高效。就在不久前，華盛頓一家醫(yī)院在縫合豬小腸真實組織的演示中，機器人系統(tǒng)也表現(xiàn)出同樣的優(yōu)勢。研究人員對自主機器人和人類外科醫(yī)生的手術(shù)結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)：在同樣的手術(shù)中，機器人縫合得更均勻、更嚴(yán)實。

雖然這些機器人系統(tǒng)還沒有做好為人類患者做手術(shù)的準(zhǔn)備，但卻代表了外科手術(shù)的發(fā)展方向。這也許是一個敏感話題，意味著未來外科醫(yī)生有可能會失業(yè)。這樣的邏輯推斷曾被用于生產(chǎn)裝配線，如今也被用于機器人接管手術(shù)室，如果增加機器人的自主性可提高生產(chǎn)效率，沒有人會阻止這種趨勢；如果增加手術(shù)機器人的自主性可提高手術(shù)精準(zhǔn)度和成功率，我們又何樂而不為呢？

倫敦帝國理工學(xué)院講師、外科醫(yī)生胡坦·阿什拉斐恩（Hutan Ashrafian）對機器人外科手術(shù)頗有研究，并經(jīng)常撰文評價人工智能在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿ΑＫJ(rèn)為自主手術(shù)機器人是一個“不可阻擋”的趨勢。阿什拉斐恩預(yù)測，在可預(yù)見的未來，手術(shù)機器人可以在外科醫(yī)生的指令下執(zhí)行一些簡單的任務(wù)。“我們的目標(biāo)是提高手術(shù)成功率，如果使用機器人意味著可以拯救更多生命、降低手術(shù)風(fēng)險，那么我們就要義無反顧地利用它們?！彼f。

展望未來，阿什拉斐恩說道，醫(yī)學(xué)界采用具有人工智能、能自主做決定的下一代手術(shù)機器人是完全可能的，這樣的機器人不僅可以處理常規(guī)任務(wù)，還可以接管整個手術(shù)。雖然目前看來還不太現(xiàn)實，但技術(shù)創(chuàng)新之路最終會引導(dǎo)我們走向那一步?！拔覀冊谘驖u進(jìn)地前行，盡管每一次邁出的步子都不大。我現(xiàn)在的手術(shù)室模樣，是50年前的外科醫(yī)生根本想象不出的?？梢灶A(yù)計，從現(xiàn)在起50年后的外科手術(shù)也將會是一個完全不同的世界?！彼f。

上一代手術(shù)機器人Si，2014年曾于巴黎一家醫(yī)院里做過子宮切除術(shù)（左）；最新的達(dá)芬奇手術(shù)機器人Xi（右）

手術(shù)機器人面臨多種挑戰(zhàn)

手術(shù)機器人自己做決定，獨立做手術(shù)的例子也許比我們想象中的要多。例如，在視力矯正手術(shù)中，機器人系統(tǒng)可切下病人的一小片角膜，然后發(fā)出一系列激光脈沖重塑其內(nèi)層；在膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，自主機器切開骨骼的精確程度要遠(yuǎn)勝于人類外科醫(yī)生；在頭發(fā)移植手術(shù)中，智能機器人能夠識別并采集病人頭部健壯的毛囊，然后精確地在頭皮上需要植發(fā)的地方鉆出一些小孔，為人類外科醫(yī)生節(jié)省了大量重復(fù)勞動的時間。

那些涉及胸部、腹部和骨盆部位軟組織的手術(shù)要面臨更復(fù)雜的挑戰(zhàn)。每個病人在解剖學(xué)上的結(jié)構(gòu)都會稍有不同，因此自主機器人必須善于辨別濕軟的內(nèi)部器官和彎彎曲曲的血管。更重要的是，在手術(shù)過程中，病人的內(nèi)臟也有可能發(fā)生移位，因此機器人還必須要不斷地調(diào)整修改其手術(shù)計劃。

(2)真空低溫烹飪。將腌制好的雞翅放入真空包裝袋，進(jìn)行真空包裝，放在烤架上，再放入烤箱中間層，選擇蒸汽低溫烹調(diào)模式，調(diào)節(jié)溫度、時間，然后開始低溫烹飪。

機器人還必須要有處理危機的可靠能力。讓我們再回到紐約大學(xué)手術(shù)中心的機器人手術(shù)演示中，在切除腫瘤的過程中，斯蒂菲爾曼松開動脈止血鉗察看情況，“我們要確定不會出現(xiàn)大出血。”他用內(nèi)窺鏡在手術(shù)后的腎臟周圍觀察著。大多數(shù)切口縫合得都非常完美，但突然屏幕上噴涌出汩汩的鮮紅色液體，“看到了嗎？這里需要再縫合一下。”他給助手下了指令。切口被迅速縫好，血被止住。斯蒂菲爾德繼續(xù)手術(shù)后的常規(guī)清理工作。

對于斯蒂菲爾德來說，這只是他日常工作的一部分。但機器人外科醫(yī)生將會如何處理這種意外突發(fā)事件呢？首先，計算機成像和視覺系統(tǒng)需要能識別這種突然噴出的紅色液體意味著出現(xiàn)了極為嚴(yán)重的問題，下一步通過其決策軟件確定了盡快縫合傷口這一最佳方案，然后機器人將決定付諸行動，操縱縫合針和縫合線將傷口縫合起來。最后，評估程序?qū)μ幚斫Y(jié)果進(jìn)行評估，確定是否還要采取進(jìn)一步的行動。讓機器人掌握這每一個步驟：感知問題、做出決策、采取行動、對處理結(jié)果進(jìn)行評估，每一步對于機器人設(shè)計工程師都是巨大的挑戰(zhàn)。

手術(shù)縫合機器人：加州大學(xué)伯克利分校機器人專家肯·戈德伯格正在為達(dá)芬奇機器人的手術(shù)切口縫合程序編程，他編制的軟件可讓機器在執(zhí)行任務(wù)的過程中自主學(xué)習(xí)

有學(xué)習(xí)能力的機器人

在哈肯薩克大學(xué)醫(yī)學(xué)中心，斯蒂菲爾曼在他的機器人助手達(dá)·芬奇的協(xié)助下進(jìn)行手術(shù)。加州森尼維爾市“直覺手術(shù)機器人公司”的這臺機器人成本高達(dá)250萬美元，是唯一獲得美國監(jiān)管機構(gòu)批準(zhǔn)的軟組織手術(shù)機器人系統(tǒng)。世界各地有3 600多家醫(yī)院安裝了達(dá)·芬奇機器人系統(tǒng)，在全球外科手術(shù)機器人市場上獨占鰲頭。但其商業(yè)上的成功并非一帆風(fēng)順，機器人在手術(shù)臺上的失誤和事故也引發(fā)了多次訴訟事件。一項研究發(fā)現(xiàn)，此類事故之前顯然被低估了。由機器人外科醫(yī)生做腹腔鏡手術(shù)是否強于人類醫(yī)生，在外科醫(yī)生中也引發(fā)了爭論，但盡管有這樣那樣的爭議，許多醫(yī)院都接受了直覺手術(shù)公司的這項技術(shù)，許多病人也在爭取讓機器人為他們做手術(shù)。

達(dá)·芬奇機器人的手術(shù)過程是在完全控制之下的，沒有人類醫(yī)生的操縱，機器人手臂只是呆滯不動的塑料和金屬碎片而已，只有當(dāng)醫(yī)生在控制臺上操縱時，它才會動起來。直覺手術(shù)機器人公司表示，目前將繼續(xù)保持這樣的狀態(tài)，負(fù)責(zé)先進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)的西蒙·迪邁奧（Simon DiMaio）說道，機器人專家正在朝著更高的目標(biāo)努力，未來人類外科醫(yī)生在手術(shù)中將得到計算機系統(tǒng)更高層次的協(xié)助或引導(dǎo)。

迪邁奧以早期自動駕駛汽車的開發(fā)過程比擬這一領(lǐng)域的研究，“第一步是要能識別道路標(biāo)志、障礙物、汽車和行人?！彼f。下一步是讓智能汽車通過對周圍環(huán)境的識別為人類司機提供幫助。比如，智能汽車通過感知周圍車輛的位置，在司機考慮不周想要變道時發(fā)出警告，手術(shù)機器人同樣可以在醫(yī)生的手術(shù)器具偏離常規(guī)時發(fā)出警示。

加州大學(xué)伯克利分?？稀じ甑虏?（Ken Goldberg）的實驗室里，一臺手術(shù)機器人已經(jīng)可以靈活熟練地縫合創(chuàng)口，但還不會打結(jié)。在一塊模擬肌肉上，一個機械人手臂將彎曲的縫合針穿過模擬傷口的兩片邊緣，第二個抓取器在另一頭抓住縫針，將縫線收緊，然后自主機器人將針移回來，開始下一針。沒有人類的手引導(dǎo)機器人手臂的活動，也沒有人類大腦來指導(dǎo)機器人的這一系列的動作過程。

作為伯克利實驗室自動化科學(xué)與工程的負(fù)責(zé)人以及包括電氣工程和藝術(shù)在內(nèi)四個專業(yè)的教授，戈德伯格在機器人領(lǐng)域內(nèi)已取得驚人的成就。墻上懸掛著的他自己的畫像，就是他創(chuàng)造的早期機器人的“美術(shù)作品”之一。

他實驗室里被縫合的“肌肉”只是粉紅色的橡皮，但卻將發(fā)展成為一項真正了不起的技術(shù)。2013年，直覺手術(shù)機器人公司開始向世界各地的大學(xué)捐贈達(dá)·芬奇機器人系統(tǒng)。當(dāng)戈德伯格教他的達(dá)芬奇如何獨立執(zhí)行手術(shù)任務(wù)時，從理論上來說，相同的程序可讓商業(yè)機器人系統(tǒng)給真正的病人動手術(shù)?！拔覀兡壳爸皇窃跍y試車道上駕駛，”戈德伯格說道，“但是有一天我們將能夠真正上路?！彼嘈旁谖磥?0年里將能夠?qū)崿F(xiàn)簡單手術(shù)任務(wù)的自動化。

在執(zhí)行自動縫合任務(wù)中，戈德伯格的達(dá)·芬奇機器人每一針都會計算好最佳入口點與出口點，計劃好運針的軌跡，并通過定位傳感器和攝像裝置跟蹤縫針的動作，明黃色的縫針讓計算機視覺系統(tǒng)可輕易識別。盡管如此，對于機器人來說，完成這個任務(wù)仍然是一個艱難的挑戰(zhàn)。戈德伯格發(fā)表的研究結(jié)果報告稱，機器人只能完成四針程序的50%，大多數(shù)失誤通常是因為第二個抓取器未能及時抓住縫針，或者是縫針被縫合線纏住。

戈德伯格教授想要人們清楚這一點，即使機器人已經(jīng)非常擅長并能熟練完成常規(guī)手術(shù)任務(wù)，他仍希望有人類外科醫(yī)生在一旁對機器人進(jìn)行監(jiān)管。戈德伯格設(shè)想的是一種“有監(jiān)督的自主權(quán)”，即仍然要在人類外科醫(yī)生的掌管之下?！耙恍┹^低層次的操作可由機器人來處理，重復(fù)工作中的精度和均勻性是機器人的優(yōu)勢?！彼f。他相信，未來機器與人的合作將造就“超級外科醫(yī)生”。

戈德伯格預(yù)測，外科手術(shù)機器人將很快得到完善并投入臨床使用，因為它們已經(jīng)開始了自主學(xué)習(xí)。他的研究小組在“通過演示學(xué)習(xí)新能力”的最新實驗中，八名不同技能水平的外科醫(yī)生利用機械臂執(zhí)行四針縫合任務(wù)，達(dá)·芬奇機器人記錄數(shù)據(jù)，機器學(xué)習(xí)算法獲取視覺和運動數(shù)據(jù)，將縫合過程中的每一針都分為按順序處理的幾個步驟 （針的定位、針的推進(jìn)等），達(dá)·芬奇機器人有可能通過這種方法學(xué)會做任何外科手術(shù)。

戈德伯格認(rèn)為通過示范學(xué)習(xí)新的技能是唯一有效的方法?！拔覀冋J(rèn)為機器人學(xué)習(xí)是如今最有趣的領(lǐng)域。”他說。當(dāng)然，大量復(fù)雜的任務(wù)需要機器人通過成千上萬次的數(shù)據(jù)分析才能掌握。戈德伯格指出，每年外科醫(yī)生與達(dá)·芬奇合作的外科手術(shù)達(dá)50萬個以上，可以給機器人提供足夠多的數(shù)據(jù)。如果說外科醫(yī)生可以共享所有這些手術(shù)的數(shù)據(jù)，那么人工智能又能從中學(xué)到些什么呢？每次外科醫(yī)生使用輔助機器人成功縫合腎臟的傷口，人工智能就可以加深對這一手術(shù)過程的理解?！跋到y(tǒng)可以提取數(shù)據(jù)，改進(jìn)算法，對工作任務(wù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整?！备甑虏裾f道，“我們和機器人一起進(jìn)步，大家都變得更聰明?！?/p>

機器人外科醫(yī)生

能夠自主做決定并獨立做手術(shù)的智能外科系統(tǒng)已被用于多種類型的外科手術(shù)中。

脊柱手術(shù)Mazor機器人公司的引導(dǎo)機器人利用病人的CT掃描片子，為外科醫(yī)生的工具定位框架，精度可達(dá)±1.5毫米。

植發(fā)手術(shù)在植發(fā)手術(shù)中，修復(fù)機器人系統(tǒng)可識別和收集毛囊，將它們切削下來，并為移植手術(shù)在頭皮上切割微小切口。

眼科手術(shù)在激光視力矯正手術(shù)中，不同機器人公司設(shè)計的機器人系統(tǒng)可用于重塑患者的角膜，并通過發(fā)射激光脈沖校正視力。

髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)在關(guān)節(jié)替代手術(shù)中，Think Surgical公司的機器人能以精準(zhǔn)的角度切開骨骼，盡可能保證人工膝關(guān)節(jié)與患者關(guān)節(jié)的完美結(jié)合和穩(wěn)定性。

癌癥腫瘤放射治療安科銳公司的機器人放射治療系統(tǒng)可針對腫瘤進(jìn)行高劑量放射治療。

將手術(shù)刀交給機器人

手術(shù)室里的自動化并不只是涉及縫針、手術(shù)刀以及其他危險的器具。有兩家公司如今正準(zhǔn)備推向市場的手術(shù)機器人開發(fā)的自動攝像裝置，可給外科醫(yī)生提供他們所想要的任何視景，就好像提取大腦里的信息一樣方便。目前外科醫(yī)生使用的直覺手術(shù)機器人公司的達(dá)·芬奇機器人必須停止正在做的事情，才能夠移動攝像機對準(zhǔn)醫(yī)生所想要觀察的部位。

北卡羅來納州莫里斯維爾市的TransEnterix公司開發(fā)的比達(dá)·芬奇機器人更先進(jìn)的Alf-X手術(shù)系統(tǒng)目前已在歐洲投入使用。該系統(tǒng)包括一個視線跟蹤器，可讓外科醫(yī)生通過觀察儀控制內(nèi)窺鏡的移動。這個跟蹤器實際上是一個薄型的光纖攝像機，可蜿蜒進(jìn)入病人的體內(nèi)。當(dāng)外科醫(yī)生在視圖屏幕上掃視時，Alf-X配合移動攝像機，讓外科醫(yī)生可以看到框架中心的興趣點。“外科醫(yī)生的眼睛成為了電腦鼠標(biāo)?！盩ransEnterix公司首席技術(shù)官安東尼·費爾南多（Anthony Fernando）解釋道。

多倫多泰坦醫(yī)療公司的運動型外科手術(shù)系統(tǒng)采用了不同的自動成像技術(shù)，該系統(tǒng)將微型機器人攝像機插入體腔，根據(jù)外科醫(yī)生使用工具的位置不斷旋轉(zhuǎn)和定位。這種類型的自動化技術(shù)的出現(xiàn)意味著機器人手術(shù)已走出了重要的第一步，福勒說道。公司申請獲準(zhǔn)今年在歐洲市場推出這項技術(shù)，明年在美國推出。福勒認(rèn)為這個機器人攝像系統(tǒng)不會有什么問題?！叭绻f自動化意味著是用計算機來控制實施手術(shù)切割的工具，我們預(yù)計它還將需要更多額外的測試?！彼f。

直覺手術(shù)機器人公司將很快面臨大的競爭對手。美敦力公司，世界上最大的醫(yī)療器械公司，正在研發(fā)一種外科手術(shù)機器人系統(tǒng)，但對于具體內(nèi)情不予置評。同樣，谷歌與強生公司于去年聯(lián)合創(chuàng)辦了名為Verb Surgical的手術(shù)機器人公司，這家公司正在研發(fā)一種名為“先進(jìn)機器人能力”的系統(tǒng)，該公司在一次新聞發(fā)布會上說道。根據(jù)這些動向，分析師預(yù)測機器人市場將出現(xiàn)新的繁榮景象。最近一份報告稱，全球腹部手術(shù)機器人市場（達(dá)·芬奇機器人及其競爭對手這一類別的機器人）將從2014年的22億美元增加到2021年的105億美元。

如果機器人外科醫(yī)生普遍出現(xiàn)在手術(shù)室里，我們信任它們?yōu)椴∪俗龈鼜?fù)雜的手術(shù)似乎也是順理成章的了。如果機器人證明它們是可靠的，是可以信任的，人類外科醫(yī)生的角色將可能會發(fā)生戲劇性的變化。也許有一天，外科醫(yī)生給病人看病會輕松得多，他們只需要為病人診斷病情，決定治療方案，然后監(jiān)督機器人執(zhí)行命令就可以了。

倫敦肥胖癥外科手術(shù)醫(yī)生阿什拉斐恩對人工智能很感興趣，他認(rèn)為外科醫(yī)生會欣然接受這種改變?？v觀醫(yī)學(xué)史，外科醫(yī)生們一直“癡迷于提高他們的手術(shù)水平”。為此，他們愿意接受任何證明有用的新工具?！皼]有人只憑一把手術(shù)刀就可以做手術(shù)?！卑⑹怖扯髡f道。如果自主機器人的能力足以完成手術(shù)任務(wù)，這一原則也將繼續(xù)適用。為追求完美，外科醫(yī)生愿意最終將動手術(shù)的“權(quán)利”從自己手中交到機器人手中。

［資料來源：IEEE Spectrum］［責(zé)任編輯：彥 隱］