機器人外科醫生為人類做手術

方陵生/編譯

機器人外科醫生為人類做手術

方陵生/編譯

· 未來，外科手術室將由精準而靈巧的手術機器人來接管。

在病人被打開的血肉模糊的腹腔內，外科醫生邁克爾·斯蒂菲爾曼（Michael Stifelman）正在精心控制兩個機械手臂給一根手術縫線打結。接著他又操縱著第三個機器人手臂驅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。最后一個機械臂負責手持內窺鏡，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毫米寬的小切口進入患者體內。

機器人外科醫生

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練有素的醫學專家，擁有精湛的外科手術技術和精準的判斷能力，然而他卻要花費寶貴的時間進行手術縫合和手術后的一些處理。如果讓機器人自行處理這類單調乏味的任務，就可以讓外科醫生從繁重的日常手術中騰出時間來，去做更多重要的有意義的工作。

今天的手術機器人是外科醫生能力的擴展，手術機器人在手術中不會發生因長時間手術而手會顫抖等現象，并且能夠完成最好的外科醫生也感到棘手的一些手術，如以典型的長柄工具進行的腹腔鏡手術，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。許多人認為，如果機器人發展為能夠做決定并獨立完成分派給他們任務的自主機器人，將在醫學領域內更好地為人類服務，手術機器人公司泰坦醫療執行副總裁丹尼斯·福勒（Dennis Fowler）是持這一觀點的人之一，“這將成為提高外科手術可靠性、減少人為錯誤的一種技術干預措施。”福勒說道。在從事實業之前，福勒曾做過32年的外科醫生。

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在一些學術和工業實驗室都處于快速開發之中。實驗機器人可通過人體組織的橡膠模型練習縫合、清創、切除腫瘤等手術動作。在一些機器人與人類“競賽”的實驗中，機器人做手術比人類外科醫生更精確、更高效。就在不久前，華盛頓一家醫院在縫合豬小腸真實組織的演示中，機器人系統也表現出同樣的優勢。研究人員對自主機器人和人類外科醫生的手術結果進行比較后發現：在同樣的手術中，機器人縫合得更均勻、更嚴實。

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

倫敦帝國理工學院講師、外科醫生胡坦·阿什拉斐恩（Hutan Ashrafian）對機器人外科手術頗有研究，并經常撰文評價人工智能在醫療衛生領域的發展潛力。他認為自主手術機器人是一個“不可阻擋”的趨勢。阿什拉斐恩預測，在可預見的未來，手術機器人可以在外科醫生的指令下執行一些簡單的任務。“我們的目標是提高手術成功率，如果使用機器人意味著可以拯救更多生命、降低手術風險，那么我們就要義無反顧地利用它們。”他說。

展望未來，阿什拉斐恩說道，醫學界采用具有人工智能、能自主做決定的下一代手術機器人是完全可能的，這樣的機器人不僅可以處理常規任務，還可以接管整個手術。雖然目前看來還不太現實，但技術創新之路最終會引導我們走向那一步。“我們在循序漸進地前行，盡管每一次邁出的步子都不大。我現在的手術室模樣，是50年前的外科醫生根本想象不出的。可以預計，從現在起50年后的外科手術也將會是一個完全不同的世界。”他說。

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

手術機器人面臨多種挑戰

手術機器人自己做決定，獨立做手術的例子也許比我們想象中的要多。例如，在視力矯正手術中，機器人系統可切下病人的一小片角膜，然后發出一系列激光脈沖重塑其內層；在膝關節置換手術中，自主機器切開骨骼的精確程度要遠勝于人類外科醫生；在頭發移植手術中，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的地方鉆出一些小孔，為人類外科醫生節省了大量重復勞動的時間。

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

(2)真空低溫烹飪。將腌制好的雞翅放入真空包裝袋，進行真空包裝，放在烤架上，再放入烤箱中間層，選擇蒸汽低溫烹調模式，調節溫度、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手術中心的機器人手術演示中，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大出血。”他用內窺鏡在手術后的腎臟周圍觀察著。大多數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。斯蒂菲爾德繼續手術后的常規清理工作。

對于斯蒂菲爾德來說，這只是他日常工作的一部分。但機器人外科醫生將會如何處理這種意外突發事件呢？首先，計算機成像和視覺系統需要能識別這種突然噴出的紅色液體意味著出現了極為嚴重的問題，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，評估程序對處理結果進行評估，確定是否還要采取進一步的行動。讓機器人掌握這每一個步驟：感知問題、做出決策、采取行動、對處理結果進行評估，每一步對于機器人設計工程師都是巨大的挑戰。

手術縫合機器人：加州大學伯克利分校機器人專家肯·戈德伯格正在為達芬奇機器人的手術切口縫合程序編程，他編制的軟件可讓機器在執行任務的過程中自主學習

有學習能力的機器人

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

達·芬奇機器人的手術過程是在完全控制之下的，沒有人類醫生的操縱，機器人手臂只是呆滯不動的塑料和金屬碎片而已，只有當醫生在控制臺上操縱時，它才會動起來。直覺手術機器人公司表示，目前將繼續保持這樣的狀態，負責先進系統開發的西蒙·迪邁奧（Simon DiMaio）說道，機器人專家正在朝著更高的目標努力，未來人類外科醫生在手術中將得到計算機系統更高層次的協助或引導。

迪邁奧以早期自動駕駛汽車的開發過程比擬這一領域的研究，“第一步是要能識別道路標志、障礙物、汽車和行人。”他說。下一步是讓智能汽車通過對周圍環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出警告，手術機器人同樣可以在醫生的手術器具偏離常規時發出警示。

加州大學伯克利分校肯·戈德伯格 （Ken Goldberg）的實驗室里，一臺手術機器人已經可以靈活熟練地縫合創口，但還不會打結。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。沒有人類的手引導機器人手臂的活動，也沒有人類大腦來指導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與工程的負責人以及包括電氣工程和藝術在內四個專業的教授，戈德伯格在機器人領域內已取得驚人的成就。墻上懸掛著的他自己的畫像，就是他創造的早期機器人的“美術作品”之一。

他實驗室里被縫合的“肌肉”只是粉紅色的橡皮，但卻將發展成為一項真正了不起的技術。2013年，直覺手術機器人公司開始向世界各地的大學捐贈達·芬奇機器人系統。當戈德伯格教他的達芬奇如何獨立執行手術任務時，從理論上來說，相同的程序可讓商業機器人系統給真正的病人動手術。“我們目前只是在測試車道上駕駛，”戈德伯格說道，“但是有一天我們將能夠真正上路。”他相信在未來10年里將能夠實現簡單手術任務的自動化。

在執行自動縫合任務中，戈德伯格的達·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可輕易識別。盡管如此，對于機器人來說，完成這個任務仍然是一個艱難的挑戰。戈德伯格發表的研究結果報告稱，機器人只能完成四針程序的50%，大多數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，即使機器人已經非常擅長并能熟練完成常規手術任務，他仍希望有人類外科醫生在一旁對機器人進行監管。戈德伯格設想的是一種“有監督的自主權”，即仍然要在人類外科醫生的掌管之下。“一些較低層次的操作可由機器人來處理，重復工作中的精度和均勻性是機器人的優勢。”他說。他相信，未來機器與人的合作將造就“超級外科醫生”。

戈德伯格預測，外科手術機器人將很快得到完善并投入臨床使用，因為它們已經開始了自主學習。他的研究小組在“通過演示學習新能力”的最新實驗中，八名不同技能水平的外科醫生利用機械臂執行四針縫合任務，達·芬奇機器人記錄數據，機器學習算法獲取視覺和運動數據，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、針的推進等），達·芬奇機器人有可能通過這種方法學會做任何外科手術。

戈德伯格認為通過示范學習新的技能是唯一有效的方法。“我們認為機器人學習是如今最有趣的領域。”他說。當然，大量復雜的任務需要機器人通過成千上萬次的數據分析才能掌握。戈德伯格指出，每年外科醫生與達·芬奇合作的外科手術達50萬個以上，可以給機器人提供足夠多的數據。如果說外科醫生可以共享所有這些手術的數據，那么人工智能又能從中學到些什么呢？每次外科醫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過程的理解。“系統可以提取數據，改進算法，對工作任務進行精細調整。”戈德伯格說道，“我們和機器人一起進步，大家都變得更聰明。”

機器人外科醫生

能夠自主做決定并獨立做手術的智能外科系統已被用于多種類型的外科手術中。

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

植發手術在植發手術中，修復機器人系統可識別和收集毛囊，將它們切削下來，并為移植手術在頭皮上切割微小切口。

眼科手術在激光視力矯正手術中，不同機器人公司設計的機器人系統可用于重塑患者的角膜，并通過發射激光脈沖校正視力。

髖關節和膝關節置換手術在關節替代手術中，Think Surgical公司的機器人能以精準的角度切開骨骼，盡可能保證人工膝關節與患者關節的完美結合和穩定性。

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

將手術刀交給機器人

手術室里的自動化并不只是涉及縫針、手術刀以及其他危險的器具。有兩家公司如今正準備推向市場的手術機器人開發的自動攝像裝置，可給外科醫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。目前外科醫生使用的直覺手術機器人公司的達·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醫生所想要觀察的部位。

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

多倫多泰坦醫療公司的運動型外科手術系統采用了不同的自動成像技術，該系統將微型機器人攝像機插入體腔，根據外科醫生使用工具的位置不斷旋轉和定位。這種類型的自動化技術的出現意味著機器人手術已走出了重要的第一步，福勒說道。公司申請獲準今年在歐洲市場推出這項技術，明年在美國推出。福勒認為這個機器人攝像系統不會有什么問題。“如果說自動化意味著是用計算機來控制實施手術切割的工具，我們預計它還將需要更多額外的測試。”他說。

直覺手術機器人公司將很快面臨大的競爭對手。美敦力公司，世界上最大的醫療器械公司，正在研發一種外科手術機器人系統，但對于具體內情不予置評。同樣，谷歌與強生公司于去年聯合創辦了名為Verb Surgical的手術機器人公司，這家公司正在研發一種名為“先進機器人能力”的系統，該公司在一次新聞發布會上說道。根據這些動向，分析師預測機器人市場將出現新的繁榮景象。最近一份報告稱，全球腹部手術機器人市場（達·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。

如果機器人外科醫生普遍出現在手術室里，我們信任它們為病人做更復雜的手術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，人類外科醫生的角色將可能會發生戲劇性的變化。也許有一天，外科醫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，然后監督機器人執行命令就可以了。

倫敦肥胖癥外科手術醫生阿什拉斐恩對人工智能很感興趣，他認為外科醫生會欣然接受這種改變。縱觀醫學史，外科醫生們一直“癡迷于提高他們的手術水平”。為此，他們愿意接受任何證明有用的新工具。“沒有人只憑一把手術刀就可以做手術。”阿什拉斐恩說道。如果自主機器人的能力足以完成手術任務，這一原則也將繼續適用。為追求完美，外科醫生愿意最終將動手術的“權利”從自己手中交到機器人手中。

［資料來源：IEEE Spectrum］［責任編輯：彥 隱］