人工智能在外科手術(shù)的應(yīng)用展望

韋斌，黃俏瑩，王曉通

（1.廣西壯族自治區(qū)人民醫(yī)院 胃腸外周血管外科，廣西 南寧 530021；2.廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 輸血科，廣西南寧 530021）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)后，人工智能AI（artificial intelligence，AI）有了革命性的發(fā)展[1],其在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展最迅猛的集中在智能影像學(xué)、智能病理學(xué)和智能決策三個方面[2-6]。而在外科手術(shù)領(lǐng)域，由于有效數(shù)據(jù)收集困難，操作的有創(chuàng)性需要面對倫理關(guān)等原因，機(jī)器學(xué)習(xí)還沒有很大的進(jìn)展。2000年Intuitive Surgical公司推出的達(dá)芬奇機(jī)器人標(biāo)志著外科正式進(jìn)入了手術(shù)機(jī)器人時代。達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人有高清視覺、直覺操作、人體工程學(xué)控制臺和高自由度仿真手腕等，成為了全世界應(yīng)用最廣、最先進(jìn)的手術(shù)機(jī)器人，其應(yīng)用涵蓋泌尿外科、普外科、婦產(chǎn)科等數(shù)十個學(xué)科。但這些機(jī)器人沒有人工智能，只是人類雙手的延伸，只能算沒有大腦的精密設(shè)備而已。而機(jī)器深度學(xué)習(xí)是大勢所趨，AI在未來有可能會完全應(yīng)用于外科手術(shù)。其在外科手術(shù)的應(yīng)用發(fā)展可能分為幾個階段。

1 第一階段：數(shù)據(jù)收集

萬事開頭難，最重要的還是數(shù)據(jù)的收集。樣本數(shù)越多，AI算法改進(jìn)或?qū)W習(xí)的空間越大，最后的結(jié)果也越準(zhǔn)確[7]。但是外科手術(shù)還是一個非常主觀的領(lǐng)域：同一種疾病，在不同的國家、地區(qū)，醫(yī)生在手術(shù)類型的選擇上有不同的傾向性；同一種手術(shù)類型，不同的醫(yī)生，手術(shù)器械的選擇也是五花八門，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；同一種手術(shù)，不同的醫(yī)生，手術(shù)步驟也是各有絕活，沒有雷同；術(shù)中發(fā)生的意外，不同醫(yī)生的處理方式也是各不一樣。所以AI想要在外科手術(shù)領(lǐng)域有所建樹，首先必須建立優(yōu)秀的算法，不斷迭代改進(jìn)，前期的準(zhǔn)備就是要收集、分析海量的數(shù)據(jù)。

1.1 術(shù)前數(shù)據(jù)

外科醫(yī)生做手術(shù)，術(shù)前要充分了解患者的病情和手術(shù)區(qū)域的解剖結(jié)構(gòu)，才能決定手術(shù)方式，然后有目的的進(jìn)入到手術(shù)區(qū)域，以最小的創(chuàng)傷切除病灶。所以機(jī)器學(xué)習(xí)，首先要掌握術(shù)前的患者資料，特別是包含病灶及周圍的解剖信息的影像學(xué)資料。

1.2 術(shù)中數(shù)據(jù)

這是最關(guān)鍵，數(shù)據(jù)量最大的內(nèi)容，包括以下兩個大類：

1.2.1 “手術(shù)旁數(shù)據(jù)”

主要是在手術(shù)床旁產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，和手術(shù)操作密切相關(guān)，有助于主刀醫(yī)師以及未來的AI判斷手術(shù)進(jìn)程是否順利，根據(jù)實(shí)時情況調(diào)整手術(shù)方式。包括了從進(jìn)手術(shù)室開始麻醉到術(shù)后復(fù)蘇的所有數(shù)據(jù)，包括但不限于：（1）生命體征；（2）手術(shù)中的化驗(yàn)結(jié)果；（3）術(shù)中輸液，輸血以及各種藥物；（4）麻醉機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如潮氣量，氧濃度等。

1.2.2 手術(shù)操作數(shù)據(jù)

機(jī)器學(xué)習(xí)主要使用腹腔鏡，胸腔鏡，關(guān)節(jié)鏡，介入等有視頻錄像的微創(chuàng)設(shè)備，主要產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有：（1）進(jìn)入手術(shù)區(qū)域的路徑包括各穿刺孔的位置等；（2）術(shù)中使用的器械及耗材類型數(shù)據(jù)；（3）手術(shù)區(qū)域的解剖，包括所有手術(shù)過程中可能進(jìn)入攝像頭視野范圍內(nèi)的組織，器官的形態(tài)，質(zhì)地，顏色，大小，形狀等；（4）手術(shù)過程中，包括主刀，一助，二助等臺上醫(yī)生操作的動作軌跡，力度變化；（5）手術(shù)過程中器械與組織、器官的接觸的面積、角度、時間，組織的位移、形變以及顏色的變化，病灶切除的范圍；（6）術(shù)中意外的處理，如止血的處理包括壓迫，電燒灼，鈦夾或塑料夾夾閉等；（7）其他術(shù)中數(shù)據(jù)，如手術(shù)區(qū)域的溫度變化等。

AI技術(shù)發(fā)展至今，計算機(jī)視覺輔助手術(shù)已經(jīng)有了臨床應(yīng)用[8-11]，甚至能對手術(shù)視頻進(jìn)行定量分析，完成自動分割、注釋并記錄數(shù)據(jù)[12]。但外科醫(yī)生在手術(shù)中不僅僅調(diào)動視覺和肌肉系統(tǒng)，還包括了觸覺和溫覺等精細(xì)感覺。所以未來AI操作機(jī)器手臂進(jìn)行各種精細(xì)手術(shù)時，也需要使用類似人類感知能力的感應(yīng)器來收集手術(shù)區(qū)域的信息。這就要求收集盡量完善的術(shù)中數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)專家建立合理的算法供AI深度學(xué)習(xí)，最終使其理解安全有效的手術(shù)操作的原理。

1.3 術(shù)后數(shù)據(jù)

充分評估手術(shù)的效果，也要收集術(shù)后恢復(fù)的情況數(shù)據(jù)：（1）術(shù)后用藥；（2）各器官功能恢復(fù)時間；（3）術(shù)后各種輔助檢查；（4）術(shù)后生命體征，術(shù)區(qū)癥狀體征，引流液的量和顏色等；（5）術(shù)后并發(fā)癥等。

完整收集圍手術(shù)期大數(shù)據(jù)提供AI深度學(xué)習(xí)，才能讓AI真正理解外科手術(shù)的原理。但由于資料都是孤島式的散落的，數(shù)據(jù)收集難度很大，幾乎沒有一家醫(yī)院能用一個數(shù)據(jù)庫整合這些資料，更別說由一個地區(qū)，甚至國家來進(jìn)行整合。也就是說，如果要致力于研究機(jī)器學(xué)習(xí)外科手術(shù)，前期的準(zhǔn)備是數(shù)據(jù)整合的設(shè)計。鑒于人工智能對專業(yè)知識廣度和深度提出了前所未有的嚴(yán)要求、高標(biāo)準(zhǔn)，外科醫(yī)生有必要加強(qiáng)跨領(lǐng)域的多學(xué)科交叉合作[13]。沒有高水平的數(shù)據(jù)專家把關(guān)算法，就無法把最前沿的人工智能理論應(yīng)用到外科領(lǐng)域；同樣，沒有專業(yè)醫(yī)生的深度參與，人工智能就完全不可能進(jìn)入醫(yī)院落地應(yīng)用。北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院季加孚領(lǐng)銜的中國胃腸腫瘤外科聯(lián)盟在數(shù)據(jù)統(tǒng)一收集上做了積極的嘗試[14]。

2 第二階段：通過實(shí)驗(yàn)研發(fā)AI的算法

有了前面整合的大數(shù)據(jù)，外科醫(yī)師與數(shù)據(jù)專家密切合作，就能開發(fā)出合適機(jī)器學(xué)習(xí)的模型和算法，設(shè)計出能做手術(shù)實(shí)驗(yàn)的AI。AI操作機(jī)器人手臂在動物身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性手術(shù)，積累實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。STAR（the Smart Tissue Autonomous Robot）成為全球首臺全自動手術(shù)機(jī)器人，2016年其在無人工協(xié)助下完成了小腸端端縫合的動物實(shí)驗(yàn)[15]。估計在不久的將來，AI就會在活體動物身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性手術(shù)。但動物實(shí)驗(yàn)是將動物的手術(shù)區(qū)域的解剖輸入給AI，使其能以此進(jìn)行手術(shù)。而在動物身上研發(fā)出的操作算法，還需要重新深度學(xué)習(xí)人體的解剖，才能轉(zhuǎn)為在人類身上進(jìn)行手術(shù)。AI學(xué)習(xí)的內(nèi)容不僅僅包括了形態(tài)學(xué)，還包括器官、組織的質(zhì)地和功能等生理生化知識。因?yàn)樘幚硇g(shù)中意外的時候，人類醫(yī)生會根據(jù)術(shù)區(qū)器官生理生化功能的重要性，切除，結(jié)扎或者壓迫不重要的部位，保留不能隨便損傷的重要的部位。機(jī)器學(xué)習(xí)也必須掌握這些判斷能力。

3 第三階段：AI在手術(shù)中實(shí)際應(yīng)用

研發(fā)出的AI在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐--分析總結(jié)--再實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的循環(huán)中優(yōu)化算法，才能最終廣泛應(yīng)用在實(shí)際的外科手術(shù)。其發(fā)展可能分為以下幾個階段：

3.1 機(jī)器人手術(shù)1.0

機(jī)器人手臂可以通過AI優(yōu)化，減少醫(yī)生的手的抖動，增加手術(shù)操作指向的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人手術(shù)中[16]；da Vinci.SP系統(tǒng)，通過將3個仿生手腕工具和攝像臂集于2.5 cm的單孔套管內(nèi)，實(shí)現(xiàn)單孔化手術(shù)，并可深入腔體內(nèi)部達(dá)24 cm，不受局限地完成手術(shù)[17]，血管外科有微創(chuàng)心血管介入手術(shù)機(jī)器人，通過人機(jī)對話方式在導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)下利用機(jī)械手為患者進(jìn)行精確的血管介入手術(shù)[18]。在這些應(yīng)用過程中，機(jī)器人不斷積累操作經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析，改進(jìn)算法的合理性，升級到下一版本。

3.2 機(jī)器人手術(shù)2.0

機(jī)器視覺和算法進(jìn)步，AI部分參與手術(shù)操作的決斷。升級到這個版本，AI可以匯總術(shù)中意外處理方案，給出處理建議；依托影像實(shí)時分析，輔助主刀醫(yī)生找到需要處理的部位，突破人眼受術(shù)區(qū)模糊干擾的限制；警惕主刀醫(yī)生的危險性動作，顯示最優(yōu)操作建議，風(fēng)險概率等供參考。目前已經(jīng)有部分產(chǎn)品進(jìn)行了嘗試，中國臺灣HTC公司的AI結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（augmented reality，AR），配合示蹤劑，可在屏幕上標(biāo)示關(guān)鍵的解剖結(jié)構(gòu)以及建議的手術(shù)步驟，并提示可能存在的手術(shù)風(fēng)險[19],在美國，AI通過閱讀美國外科協(xié)會國家手術(shù)質(zhì)量改進(jìn)計劃的數(shù)據(jù)來預(yù)測手術(shù)并發(fā)癥，準(zhǔn)確性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他單項(xiàng)指標(biāo)或量化評分[20]；隨著數(shù)據(jù)進(jìn)一步增加，醫(yī)師和人工智能的磨合能不斷優(yōu)化，然后進(jìn)到下一版本。

3.3 機(jī)器人手術(shù)3.0

機(jī)器人可以部分參與最簡單的手術(shù)操作。如機(jī)器人使用AR等視覺技術(shù)進(jìn)行淺表組織的活檢，判斷操作的范圍和深度，醫(yī)生確定無誤后AI自主執(zhí)行；或者在手術(shù)過程中，AI在部分操作步驟給出最優(yōu)解，主刀醫(yī)師確認(rèn)后AI自主操作這一步驟。在這個階段AI進(jìn)一步積累實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，獲得更多維度的大數(shù)據(jù)，不僅視覺數(shù)據(jù)，還包含了操作過程中，手術(shù)器械，耗材與組織的關(guān)系等數(shù)據(jù)，使算法越來越完整，然后升級到下一版本。

3.4 機(jī)器人手術(shù)4.0

到了這個版本，AI可以進(jìn)行完整的手術(shù)。首先是相對簡單的手術(shù)，如淺表腫物切除，簡單的闌尾切除等。操作醫(yī)生只需要在屏幕前，一步步的確認(rèn)AI的操作是否正確，并擁有隨時停止AI操作的權(quán)利，轉(zhuǎn)為全手動操作。隨著算法和數(shù)據(jù)更加完善，AI能完成的手術(shù)就會越來越多，越來越高級。相應(yīng)的，外科醫(yī)生可以從繁重的耗費(fèi)體力的手術(shù)中解脫出來，與AI智能一起，研究改進(jìn)疾病、創(chuàng)傷的診療方案。

這些版本的迭代升級不是按部就班，而是有所交叉，最終AI進(jìn)化成可以自主手術(shù)。由于在倫理上不能由機(jī)器人決定對人類進(jìn)行任何有創(chuàng)行為，所以其操作方式可能為：在每一個步驟進(jìn)行前，機(jī)器會顯示操作步驟，由有資質(zhì)的外科醫(yī)生確認(rèn)無誤后，點(diǎn)擊確認(rèn)鍵，方可進(jìn)行操作。手術(shù)進(jìn)行中的任何階段，外科醫(yī)生都有權(quán)隨時中止機(jī)器人手術(shù)，轉(zhuǎn)為全手動操作。

4 結(jié)語

上帝賦予人類靈巧的雙手和聰慧的頭腦，而外科醫(yī)生則是將此兩者完美結(jié)合的典范[21]。當(dāng)然，技術(shù)的發(fā)展是沒有邊界的，外科學(xué)正從基于能力的藝術(shù)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動的科學(xué)[14]，在外科領(lǐng)域，機(jī)器學(xué)習(xí)有很大的發(fā)揮空間，又有著很大的困難，需要機(jī)器人公司與醫(yī)生通力合作，披荊斬棘，才能有所成就。

但我們要清醒認(rèn)識到,即使AI再怎么優(yōu)秀智能，有無數(shù)的感應(yīng)器，優(yōu)秀的算法來進(jìn)行手術(shù)操作,終究由于其“不食人間煙火”的局限性，沒有倫理判斷能力，不能取代人類進(jìn)行所有決斷。因此在遙遠(yuǎn)的未來，AI不會淘汰外科醫(yī)生,而是成為外科醫(yī)生的左膀右臂。隨著技術(shù)的進(jìn)步，外科醫(yī)生淘汰舊有手術(shù)方式，更關(guān)注術(shù)前術(shù)后與患者的溝通，思考診治決策，監(jiān)督指揮機(jī)器人手術(shù)，處理術(shù)中術(shù)后合并的，并發(fā)的，突發(fā)的狀況?？萍际巧屏嫉?，最終的發(fā)展，必然是不斷改善全人類的生活。我們期待那個未來的到來，然后繼續(xù)進(jìn)步?？萍及l(fā)展無止境，生活也會是越來越美好。