當機器人走入手術室

李垚

更高精尖的醫(yī)療手術機器人

使機器人有“觸覺感應”是一大調(diào)整，用以區(qū)分健康組織和腫瘤并進行手術

很多影迷一直被《星球大戰(zhàn)：帝國反擊戰(zhàn)》中的打斗所迷，在達斯·維達的云城之戰(zhàn)中，他用醫(yī)療機器人2-1B為盧克·天行者替換了機械手。雖然持手術刀的機器人還有很長的路要走，但是科學家們正在研究一種可以在人工監(jiān)督下執(zhí)行手術任務的設備。

新加坡國立大學材料科學與工程學助理教授Tee博士說，完全自動化的機器人外科醫(yī)生研究已有很多年了，但目前看起來依然要依靠人類醫(yī)生主導行為。

隨著人工智能技術的不斷突破，機器人在醫(yī)療領域的影響力也將日益凸顯。手術機器人市場規(guī)模已達數(shù)十億美元。伴隨著下一代設備、系統(tǒng)和器械的發(fā)布，手術機器人將從目前的大型開放手術，覆蓋到身體中的微小部分，預計 2021 年市場規(guī)模將達到 200 億美元。

作為目前全球最成功及應用最廣泛的手術機器人，Intuitive Surgical Inc.公司的達芬奇手術機器人（da Vinci）代表著當今手術機器人最高水平。實施手術時主刀醫(yī)師不與病人直接接觸，通過三維視覺系統(tǒng)和動作定標系統(tǒng)操作控制，由機械臂以及手術器械模擬完成醫(yī)生的技術動作和手術操作。作為醫(yī)療手術機器人行業(yè)的標桿，達芬奇機器人長期以來都是處在行業(yè)絕對領跑的位置，其發(fā)展歷程基本可以看作是手術機器人逐漸拓展市場的過程。

約翰·霍普金斯大學的研究人員正在開發(fā)智能組織自主機器人STAR，該機器人能夠自行執(zhí)行具有挑戰(zhàn)性的結腸手術步驟

自動執(zhí)行平凡和重復性的任務（例如縫合）可以使外科醫(yī)生專注于手術中更為關鍵和復雜的部分，并最大程度地減少與數(shù)小時的手術相關的精神和身體疲勞。根據(jù)醫(yī)學院協(xié)會的預測，外科醫(yī)生短缺狀況正在惡化，到2033年，預計短缺人數(shù)將達到28700人，而今年預計短缺人數(shù)將達到5600人。新冠肺炎病毒的大流行還強調(diào)了在手術室中需要機器人幫助，以最大程度地減少工作人員和患者接觸病毒的風險。

未來的血液可在實驗室中制造

新冠肺炎病毒大流行導致世界范圍內(nèi)的無償獻血活動，這給已經(jīng)進行了數(shù)十年的血液研究帶來了緊迫性：人造血液生產(chǎn)的滯后。去年，日本防衛(wèi)醫(yī)科大學、奈良縣立醫(yī)科大學、早稻田大學組成的共同研究組表示，動物實驗中已經(jīng)用人造血液成功救治大量出血的兔子。血液是由血漿和血細胞成分組成，一旦往體內(nèi)細胞輸送氧的紅細胞以及有止血功能的血小板大量流失，人體就會陷入危重狀態(tài)。在該研究團隊的實驗中，對10只失血過多的模型兔子使用了人工血小板，其中6只獲救。而使用兔子血液進行搶救的10只兔子中，有7只獲救，兩者結果較為相近。

到底什么是人造血液？人造血液，即把即將過期準備廢棄的血液中的紅細胞精制為血紅蛋白。在此過程中，當然要消除細菌和病毒，然后再排除決定血型的糖鎖。這樣，A/O/B/AB型血的患者都可以使用人造血液。精制后的血紅蛋白將被裝入用脂質(zhì)粒（細胞膜成分）制作的膠囊中，因此可以承擔搬運氧分子的作用。

人造血液的好處不少。一是可以不必配型輸入;二是可以降低感染幾率;三是可以常溫長時間保存;四是粒子比紅細胞更小，可以在血漿中均等分布，可通過紅細胞無法通過的狹窄部位;五是和老化的紅細胞以同樣的方式分解并被排泄。

值得注意的是，人造血小板聚集在傷口處，還能促進人體本身的血小板活躍。只不過，人造血液的功能在數(shù)日內(nèi)會一點點減少，因此預計將主要運用于輸血前的輔助。當然，人造血液的有效性和安全性還需要經(jīng)過臨床試驗進行驗證。如果驗證了其安全性和有效性，在災害、交通事故、分娩等手術中大出血的危急時刻，將提高傷患的救治成功率。

層出不窮的仿生能力

新加坡國立大學的一位研究人員拿著一塊硅膠片，其中嵌入了用于觸覺傳感器的電子導體

STAR使用機器人縫合工具，可自動定位并旋轉針頭穿過豬腸

出于綜合性的考慮和要求，目前實施醫(yī)療手術，需要對機器人基礎的算法進行準確性測試。目前，一些國家的醫(yī)療、食品、藥品監(jiān)督管理局尚未批準自動手術機器人。這些機器需要考慮到解剖學上的差異或對手術期間出現(xiàn)的并發(fā)癥做出適當?shù)姆磻@可能是無法預測的。

盡管如此，早期的跡象表明，機器人的手術能力最終可以比人類更高超，在一致地執(zhí)行某些外科手術，從而可以最大程度地減少并發(fā)癥。約翰·霍普金斯大學機械工程系的助理教授阿克塞爾·克雷格說：“這是機器人真正出類拔萃的東西——精度、可重復性、不知疲倦。”

新加坡國立大學和英特爾公司的研究人員還在嘗試用機械化的硅手指模仿人類的手指觸感。該設備每平方厘米約有100個傳感器，數(shù)據(jù)通過一條連接到神經(jīng)形態(tài)芯片的單線傳輸，神經(jīng)形態(tài)芯片是一種計算機芯片，可以使用一部分傳統(tǒng)計算機芯片的數(shù)據(jù)來訓練AI模型。

Tee博士說，在今年的早期測試中，硅手指能夠分辨出兩個形狀相似的物體中的哪一個更柔軟，比眨眼的速度還快約十倍。在接下來的十年中，該技術可以并入觸覺手套中，該手套使用壓力、振動和運動來模擬虛擬物體的感覺，從而使外科醫(yī)生可以遠程執(zhí)行操作并感受機器人的感覺。

在處理軟組織的自主手術機器人中，有名聲大噪的STAR，它的強項是縫合技術。STAR部分由機器學習提供動力，該機器學習用于檢測組織運動。這樣，機器人可以識別患者的呼吸并在正確的位置進行縫合。從理論上講，機器人可以在縫線的間距和張力方面達到人類無法完成的水平。

縫合是指管狀結構的閉合，通常是通過將組織縫合在一起來完成的。重新連接健康的結腸需要15到20針。哪怕一個針腳太松，患者都有可能發(fā)生后遺癥，從而導致致命的感染，機器人“始終如一”的高質(zhì)量縫合線可以減少此類并發(fā)癥。有論文分析，無論是在離體還是在活體的吻合術中，STAR還要略優(yōu)于熟練的外科醫(yī)生和達芬奇手術系統(tǒng)，目前，STAR自主手術機器人正在逐步向臨床階段邁進。

為了使患者的風險和恢復時間最小化，心臟病專家通常更喜歡使用導管（一根細的柔性管，通過手臂、腹股溝、大腿或脖子插入）進入心臟，而不是割開人的胸部。但是用導管導航到心臟的右側是一項艱巨的工作。由波士頓兒童醫(yī)院小兒心臟生物工程負責人、哈佛醫(yī)學院外科教授皮埃爾·杜邦領導的團隊開發(fā)了一種可自行導航的機器人導管。在一項于去年結束的實驗中，機器人導管能夠避免有時在更換瓣膜后發(fā)生泄漏。

導管使用觸覺視覺傳感器進行導航，其中來自微型攝像機的圖像與機器學習算法結合在一起，該算法可以判斷導管尖端是否在接觸血液、組織或瓣膜。導管到達修復部位后，外科醫(yī)生接管并用一個類似于小金屬塞的封堵器修補泄漏。杜邦博士說，自動導航將使外科醫(yī)生騰出精力來專注于部署封堵器和優(yōu)化瓣膜修復，就像目前汽車在自動駕駛上的等級設置一樣，杜邦博士及其團隊目前正在研究機器人導管的方法，以幫助進行更復雜的瓣膜修復。