基于“人-機(jī)-環(huán)”信息流的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)研究與展望

崔皓鑫 王 嶸 鄭 楠 章 頌 任 瞳 梁渝靖

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,外科手術(shù)領(lǐng)域發(fā)生劃時(shí)代的變化.相比小切口、胸腹腔鏡等傳統(tǒng)的微創(chuàng)外科手術(shù),機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì).1)借助內(nèi)窺鏡成像,放大手術(shù)視野.2)借助主從控制系統(tǒng),顯著降低外科醫(yī)生的體力負(fù)荷,為外科醫(yī)生提供良好、舒適的操作.3)借助特定算法,從端機(jī)械臂可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)縮放和濾抖功能,結(jié)合末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的多自由度設(shè)計(jì),幫助外科醫(yī)生實(shí)現(xiàn)更精確穩(wěn)定的手術(shù)操作,提高手術(shù)質(zhì)量.

四十多年來(lái),很多具有代表性的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)品與技術(shù)不斷涌現(xiàn).由工業(yè)機(jī)器人改造的PUMA200于1985年參與完成世界首例引入機(jī)器人系統(tǒng)的神經(jīng)定位外科手術(shù)[1].1994年美國(guó)Computer Motion公司研發(fā)的AESOP內(nèi)窺鏡機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)首先獲得FDA(Food and Drug Administration)注冊(cè)認(rèn)證[2].主從遙操作機(jī)器人根據(jù)外科醫(yī)生在主端的指令引導(dǎo)從端完成任務(wù),大幅拓展外科醫(yī)生的感知能力和操作方式.基于該理念研發(fā)的ZEUS,解決傳統(tǒng)手術(shù)中內(nèi)窺鏡抖動(dòng)和外科醫(yī)生手部震顫等問(wèn)題[3],被認(rèn)為是第一代真正實(shí)現(xiàn)主從遙操作的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)[4].2003年,Intuitive公司與Computer Motion公司合并,在ZEUS系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)由主從驅(qū)動(dòng)、立體視覺(jué)和傳感器組成的Da Vinci機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)[5],為外科醫(yī)生提供更舒適的運(yùn)動(dòng)操作控制體驗(yàn)、深度感知和直覺(jué)操作.迄今為止,已有超過(guò)七千臺(tái)的Da Vinci機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)完成1 200萬(wàn)余次手術(shù)[6],覆蓋泌尿外科、婦產(chǎn)科、普外科、心外科、胸外科等學(xué)科,成為世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛的商用機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)[7].

2005年由天津大學(xué)研發(fā)的MicroHand-A填補(bǔ)我國(guó)在機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的研究空白[8],在此基礎(chǔ)上研發(fā)的“妙手S”也采用主從控制方式,具備靈活的運(yùn)動(dòng)能力和遠(yuǎn)程手術(shù)功能.2014年,上海交通大學(xué)基于對(duì)偶連續(xù)體機(jī)構(gòu)研發(fā)術(shù)銳單孔腹腔機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)[9],解決柔性連續(xù)體機(jī)構(gòu)應(yīng)用在機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)可靠性不高、力負(fù)載能力不足、變形無(wú)法快速準(zhǔn)確預(yù)估、剛度變化非線性、模塊化重構(gòu)不便等基礎(chǔ)性問(wèn)題.2019年,哈爾濱思哲睿智能醫(yī)療設(shè)備有限公司推出康多機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng),參與完成5G遠(yuǎn)程多學(xué)科機(jī)器人手術(shù)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)同操作遠(yuǎn)程手術(shù)的可行性[10].

近年來(lái),一些研究人員借助發(fā)展迅速的傳感器和人工智能技術(shù),在立體成像、主從遙操作等成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上解決新的技術(shù)難題.TransEnterix公司于2017年研發(fā)出Senhance,通過(guò)舒張力為外科醫(yī)生提供觸覺(jué)反饋,并根據(jù)外科醫(yī)生眼球運(yùn)動(dòng)選擇指令,提升手術(shù)操作的便捷性[11].Hugo RAS機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)于2019年推出,通過(guò)便攜式、可拆卸組合和高度兼容的模塊化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)降低費(fèi)用和滿足特定手術(shù)需求的目標(biāo)[12].同年,德國(guó)推出首個(gè)微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)Avatera,通過(guò)AR技術(shù)提供高色彩保真度和超高清分辨率的3D視野,并引入一次性手術(shù)器械的概念,在節(jié)省成本的同時(shí)消除交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)[13].

盡管與早期產(chǎn)品相比,當(dāng)前機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)在執(zhí)行層面實(shí)現(xiàn)能力躍升[14],但其在人機(jī)交互的智能化方面仍有很大的進(jìn)步空間.分析機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的底層思路發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的工作大多通過(guò) “所見(jiàn)即所動(dòng)”的直覺(jué)映射及基于比例增量控制原理的精準(zhǔn)控制,建立機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的總體控制信息流[15],或是從人機(jī)協(xié)同的角度設(shè)計(jì)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的主從同構(gòu)方案[16],進(jìn)而提高機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)主從控制的穩(wěn)定性和透明性.也就是說(shuō),機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)仍被定位在為人使用的工具,因此在人機(jī)交互信息流傳遞中更多考慮的是機(jī)器人如何方便外科醫(yī)生使用,而缺少對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)中人的認(rèn)知決策機(jī)制的考慮,也未充分考慮“人”和“機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)”作為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的復(fù)雜系統(tǒng),如何通過(guò)充分交互實(shí)現(xiàn)相互促進(jìn)提升的問(wèn)題.

為此,本文從系統(tǒng)科學(xué)的角度,借鑒“人-機(jī)結(jié)合”的三個(gè)發(fā)展階段理論[17],分析當(dāng)前機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)在人機(jī)交互方面的不足,構(gòu)建基于“人-機(jī)-環(huán)”的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)信息流,并提出人機(jī)融合智能共進(jìn)的新一代心臟機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路,旨在通過(guò)人和機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的協(xié)同共進(jìn),充分發(fā)揮人和機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的總體效能,為實(shí)現(xiàn)更安全高效的機(jī)器人微創(chuàng)外科手術(shù)目標(biāo)提供借鑒.

1 基于系統(tǒng)科學(xué)理論的機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)場(chǎng)景交互分析

機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)以其在直覺(jué)映射、立體成像、精準(zhǔn)靈活操作等方面的卓越優(yōu)勢(shì)助推機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)成為主流的微創(chuàng)手術(shù)方式之一[18],與此同時(shí),手術(shù)模式的轉(zhuǎn)變也對(duì)外科醫(yī)生帶來(lái)新的挑戰(zhàn).機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的介入導(dǎo)致外科手術(shù)模式從傳統(tǒng)的器械直接操作轉(zhuǎn)變?yōu)槔弥鲝漠悩?gòu)機(jī)械臂間接操作[19],外科醫(yī)生的行為模式也由傳統(tǒng)的眼/手(信息獲取)-腦(決策形成)-眼/手(完成操作/效果評(píng)估)轉(zhuǎn)變?yōu)檠?信息獲取)-腦(決策形成)-眼/手腳(完成操作)-眼(效果評(píng)估).因此,需要從“人機(jī)交互”的角度系統(tǒng)分析機(jī)器人手術(shù)場(chǎng)景下的交互.

綜合集成體系作為面向“人-機(jī)”系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)智能的典型代表之一[20],核心理念是“以人為主、人機(jī)結(jié)合”[21].該理論將人機(jī)的交互關(guān)系,即人機(jī)結(jié)合的演化過(guò)程劃分為三個(gè)層次：初等結(jié)合層次、人機(jī)協(xié)同層次和人機(jī)融合智能共進(jìn)層次[17].初等結(jié)合層次實(shí)現(xiàn)人機(jī)互補(bǔ),讓智能系統(tǒng)成為人邏輯思維的外化載體;人機(jī)協(xié)同層次加強(qiáng)人機(jī)交互的反饋機(jī)制,讓智能系統(tǒng)通過(guò)可視化等方式將感知的信息反饋給人;人機(jī)融合智能共進(jìn)層次通過(guò)人與機(jī)器智能的不斷融合迭代,實(shí)現(xiàn)智能增強(qiáng)的人機(jī)關(guān)系,幫助提升人的思維能力和機(jī)器的智能水平.

基于上述“人-機(jī)結(jié)合”的三個(gè)層次,結(jié)合機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的特點(diǎn),本文將機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)場(chǎng)景中 “人-機(jī)”交互的發(fā)展劃分為對(duì)應(yīng)的三個(gè)階段,具體如圖1所示.

圖1 機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)場(chǎng)景中人機(jī)交互演進(jìn)的三個(gè)階段

第一階段是工具時(shí)代,以PUMA200為代表的機(jī)器人系統(tǒng)被引進(jìn)手術(shù)室.該系統(tǒng)采用電動(dòng)伺服控制技術(shù),通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和精細(xì)的操作,為神經(jīng)外科醫(yī)生提供便捷的腦活檢器械定位[22].1991年推出的RoboDoc骨科機(jī)器人能根據(jù)術(shù)前的醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)航和路線規(guī)劃,自主完成髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的精確銑削股骨任務(wù)[23].盡管這些足夠靈巧、準(zhǔn)確和可靠的工業(yè)機(jī)器人可用于手術(shù)場(chǎng)景,但此時(shí)的手術(shù)設(shè)備也僅是作為內(nèi)窺鏡、手術(shù)刀般的器械存在,缺乏機(jī)器與外科醫(yī)生的交互.

第二階段是輔助時(shí)代,以Da Vinci通用型機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)為代表的智能系統(tǒng)被引進(jìn)手術(shù)室.這一時(shí)代的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)具備感知智能,在執(zhí)行手術(shù)操作時(shí)更穩(wěn)定、精準(zhǔn),可為患者帶來(lái)更小的創(chuàng)傷、更高的手術(shù)質(zhì)量及更短的術(shù)后恢復(fù)[24].由于主從端缺乏力感知和力反饋,外科醫(yī)生喪失通過(guò)觸覺(jué)獲取目標(biāo)信息的能力,只能通過(guò)視覺(jué)補(bǔ)償形成對(duì)任務(wù)目標(biāo)的判斷并制定決策,再依靠手腳協(xié)調(diào)操作助手指導(dǎo)從端執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)任務(wù),任務(wù)完成的效果也是通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估[25].盡管未來(lái)補(bǔ)全力反饋的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)可能會(huì)給外科醫(yī)生帶來(lái)更好的操作體驗(yàn),但可預(yù)想到這一階段的系統(tǒng)還不能為外科醫(yī)生提供個(gè)性化的交互體驗(yàn)和有效可行的決策建議.

第三階段是智慧搭檔時(shí)代.理想的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)環(huán)境具備感知能力,對(duì)外科醫(yī)生的操作行為具備認(rèn)知能力,對(duì)突發(fā)情況具備應(yīng)急輔助決策能力.另外,在機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)方面應(yīng)有足夠的交互性和人因性,縮短外科醫(yī)生的學(xué)習(xí)周期,減少外科醫(yī)生與機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)之間的阻礙.理想的系統(tǒng)同時(shí)要具備足夠的智能,在彌補(bǔ)外科醫(yī)生外科本體感覺(jué)缺失的同時(shí)表現(xiàn)出靈活的操作輔助性能,成為外科醫(yī)生優(yōu)秀的搭檔,而并非單單是外科醫(yī)生手中的手術(shù)刀[26].

當(dāng)前,即使是最先進(jìn)的第四代Da Vinci機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)仍不能為外科醫(yī)生提供個(gè)性化的交互體驗(yàn)和有效可行的決策建議,外科醫(yī)生與機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的交互還未達(dá)到理想的“人-機(jī)”融合智能共進(jìn)的程度.其原因在于,當(dāng)前機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的研究對(duì)人、機(jī)、環(huán)境之間的交互機(jī)理探究不足,制約機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展,具體體現(xiàn)在如下三個(gè)方面.

1)關(guān)于“人”的因素認(rèn)識(shí)不足.執(zhí)行手術(shù)任務(wù)過(guò)程中機(jī)器人本體通過(guò)外科醫(yī)生指令引導(dǎo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),因此外科醫(yī)生的協(xié)調(diào)性、熟練度、任務(wù)規(guī)劃等技能因素會(huì)影響系統(tǒng)整體的運(yùn)行效能.同時(shí),系統(tǒng)操作的特性、環(huán)境的未知性和復(fù)雜性等需要外科醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中全身心投入.長(zhǎng)時(shí)間注意力高度集中情況下保持手腳眼之間的配合,容易使外科醫(yī)生工作負(fù)荷過(guò)高出現(xiàn)腦力疲勞,導(dǎo)致操作失誤.此外,在外科手術(shù)場(chǎng)景中,需要多人合作,人與人之間的交互配合也會(huì)影響任務(wù)執(zhí)行的流暢性.因此,如何提升外科醫(yī)生的專業(yè)技能與職業(yè)素養(yǎng)、如何使外科醫(yī)生在執(zhí)行任務(wù)時(shí)保持合適強(qiáng)度的工作負(fù)荷、如何使人的因素更好地融入乃至促進(jìn)人機(jī)智能系統(tǒng)的協(xié)同工作,是關(guān)乎系統(tǒng)整體效能的關(guān)鍵問(wèn)題.

2)對(duì)于復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)對(duì)不足.外科手術(shù)任務(wù)面對(duì)的對(duì)象是患者,患者本身就是一個(gè)開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)[27],手術(shù)過(guò)程中存在各類不可預(yù)估的突發(fā)狀況,僅靠孤立的單體設(shè)備解決不了全部問(wèn)題.機(jī)器高效的計(jì)算智能與外科醫(yī)生跳躍性的邏輯思維不同,從根本上決定面對(duì)復(fù)雜環(huán)境時(shí)二者的關(guān)注點(diǎn)不同,這種差異阻礙“人-機(jī)”兩類智能主體的交互對(duì)話[28].此外,手術(shù)中各種突發(fā)情況可能導(dǎo)致機(jī)器對(duì)環(huán)境信息的感知不足,使反饋給外科醫(yī)生的信息有限,外科醫(yī)生不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地感知當(dāng)前的環(huán)境變化,傳遞給機(jī)器人本體的控制指令信息可能會(huì)超出安全閾值,從而造成較嚴(yán)重的后果[29].因此,如何從感知、認(rèn)知、決策、反饋等方面著手,對(duì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),使主從式機(jī)器人系統(tǒng)在具備傳統(tǒng)機(jī)器人的穩(wěn)定性、可靠性和精確性的同時(shí),還能應(yīng)對(duì)復(fù)雜、未知、多變的工作環(huán)境,最終形成面向?qū)嶋H場(chǎng)景的人機(jī)智能系統(tǒng),是關(guān)乎系統(tǒng)整體效能的核心問(wèn)題.

3)關(guān)于系統(tǒng)整體的建模不足.當(dāng)前的研究主要關(guān)注于從功能角度對(duì)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)本體進(jìn)行研究,如立體成像、力反饋及遠(yuǎn)程技術(shù),也有學(xué)者從人機(jī)工程學(xué)角度考慮人體力學(xué),增加操作的舒適性.盡管這些研究讓機(jī)器更適應(yīng)人,但是人的主觀能動(dòng)性未得到充分發(fā)揮.相比傳統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng),人機(jī)智能系統(tǒng)模型由于人的介入變得更復(fù)雜,其中最關(guān)鍵的是認(rèn)知決策過(guò)程的建模.機(jī)器通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算完成表征與推理,而人通過(guò)個(gè)性化的心智模型完成認(rèn)知和決策,兩者在過(guò)程上都缺少透明性和可解釋性[28].如何從人類認(rèn)知屬性和機(jī)器計(jì)算屬性入手,打破“人-機(jī)”兩個(gè)智能主體的孤島,將人的認(rèn)知決策過(guò)程納入系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)中,構(gòu)建“人-機(jī)-環(huán)”系統(tǒng)大循環(huán)[27],最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合智能共進(jìn),是關(guān)乎系統(tǒng)整體效能的根本問(wèn)題.

綜上分析可知,通過(guò)人機(jī)雙向信息交互,構(gòu)建“1+1>2”的人機(jī)融合智能系統(tǒng),可大幅促進(jìn)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)智能化的發(fā)展.因此首先要做的是,理清在機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)中的信息傳遞方式,構(gòu)建機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)場(chǎng)景中的“人-機(jī)-環(huán)”系統(tǒng)的信息流交互框架.

2 面向機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)場(chǎng)景的“人-機(jī)-環(huán)”信息流構(gòu)建

在所有微創(chuàng)外科手術(shù)場(chǎng)景中,機(jī)器人微創(chuàng)心臟手術(shù)因其特有的狹小解剖空間和精準(zhǔn)操作要求等特點(diǎn),對(duì)外科醫(yī)生和機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)提出更高的要求,最能直觀反映“人-機(jī)-環(huán)”信息流與控制流傳輸復(fù)雜性的外科手術(shù)環(huán)境.因此,本節(jié)將以機(jī)器人乳內(nèi)動(dòng)脈獲取這一微創(chuàng)心臟外科手術(shù)為具體手術(shù)場(chǎng)景,闡述“人-機(jī)-環(huán)”信息流的構(gòu)建.

機(jī)器人乳內(nèi)動(dòng)脈獲取是機(jī)器人微創(chuàng)冠脈搭橋手術(shù)的核心步驟之一,因?yàn)槿閮?nèi)動(dòng)脈是冠脈搭橋手術(shù)的最佳血管材料,乳內(nèi)動(dòng)脈與前降支的搭橋是保證患者長(zhǎng)期手術(shù)效果的關(guān)鍵因素.在密閉狹小的胸腔環(huán)境及跳動(dòng)心臟干擾的情況下,心外科醫(yī)生要操控機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)胸壁上被筋膜和肌肉組織覆蓋的20 cm長(zhǎng)乳內(nèi)動(dòng)脈的全程獲取.操作主要通過(guò)使用低頻電刀和精細(xì)鑷子完成,從患者頭端開(kāi)始向足側(cè)逐一分離乳內(nèi)動(dòng)脈分支,并通過(guò)鈦夾和電凝予以鉗夾止血離斷,整個(gè)過(guò)程要避免電凝損傷乳內(nèi)動(dòng)脈主干血管,更要避免操作不當(dāng)引起分支出血而遮擋內(nèi)窺鏡視野.這一過(guò)程中術(shù)者還需要與麻醉醫(yī)生、床旁助手保持密切溝通,實(shí)時(shí)了解患者生命體征情況并時(shí)刻預(yù)防冠心病患者急性心肌缺血事件的發(fā)生.

在這一場(chǎng)景下,操作手術(shù)機(jī)器人的心臟外科醫(yī)生是信息流系統(tǒng)中的“人”,機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)是系統(tǒng)中的“機(jī)”,患者、麻醉醫(yī)生、床旁手術(shù)助手等配合手術(shù)的人員以及手術(shù)室各種監(jiān)測(cè)患者生理信息的設(shè)備組成系統(tǒng)中的“環(huán)”.

如圖2所示：外科醫(yī)生與機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)之間、機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)本體與環(huán)境之間、環(huán)境與外科醫(yī)生之間會(huì)產(chǎn)生關(guān)于指令、作用、力、位等信息的交換,這些信息的采集、加工、傳遞、利用和反饋,構(gòu)成機(jī)器人乳內(nèi)動(dòng)脈獲取手術(shù)“人-機(jī)-環(huán)”系統(tǒng)的信息流.

圖2 機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)場(chǎng)景中的“人-機(jī)-環(huán)”交互系統(tǒng)

2.1 外科醫(yī)生感知決策信息流構(gòu)建

機(jī)器人乳內(nèi)動(dòng)脈獲取場(chǎng)景下的“人-機(jī)-環(huán)”系統(tǒng)是典型的以人為中心的復(fù)雜系統(tǒng).位于主操作臺(tái)的外科醫(yī)生,首先感知當(dāng)前手術(shù)情景,根據(jù)自己的專業(yè)知識(shí)做出決策,然后做出相應(yīng)操作,操作執(zhí)行后的結(jié)果會(huì)參與并影響外科醫(yī)生的下一輪操作.在感知-決策-操作執(zhí)行的過(guò)程中,業(yè)務(wù)能力不同的外科醫(yī)生對(duì)機(jī)器人乳內(nèi)動(dòng)脈獲取可能有不一樣的完成度.為了盡可能地提升外科醫(yī)生的業(yè)務(wù)能力,進(jìn)而提升整個(gè)手術(shù)“人-機(jī)-環(huán)”系統(tǒng)的效能,有必要探究外科醫(yī)生在完成機(jī)器人乳內(nèi)動(dòng)脈獲取時(shí)其感知-決策-操作執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程.

顯示設(shè)備獲取胸腔環(huán)境與心臟跳動(dòng)情況,結(jié)合手術(shù)室其他醫(yī)護(hù)人員及監(jiān)測(cè)儀器的提示信息,形成外科醫(yī)生的初級(jí)感官刺激.人體的感知器官在接收到刺激后,會(huì)在短時(shí)感覺(jué)記憶區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行預(yù)處理,結(jié)合在長(zhǎng)期記憶中存儲(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)或知識(shí),可分辨如空間鄰近性、顏色、簡(jiǎn)單形狀或運(yùn)動(dòng)等基本特征.這些基本特征會(huì)引導(dǎo)注意力的聚焦實(shí)現(xiàn)情境感知.外科醫(yī)生通過(guò)對(duì)(任務(wù)目標(biāo))乳內(nèi)動(dòng)脈選擇的把握決定注意力資源的分配并指導(dǎo)感知決策[30].感官受到外部刺激時(shí),知覺(jué)表征系統(tǒng)中關(guān)于物體基本屬性的信息被無(wú)意識(shí)地激活,在工作記憶中首先對(duì)其分析,即結(jié)合長(zhǎng)期記憶中存儲(chǔ)的心外科領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí),進(jìn)行相應(yīng)的情境感知[31].通過(guò)分類整合預(yù)測(cè)(未來(lái)狀態(tài))可能出現(xiàn)的不同手術(shù)情況,進(jìn)而生成不同的決策選項(xiàng).外科醫(yī)生做出決策后,通過(guò)動(dòng)作導(dǎo)向控制機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的主操作手完成(相應(yīng)操作)乳內(nèi)動(dòng)脈分離.實(shí)際結(jié)果與理想預(yù)期間的差異,如突發(fā)分支出血,將作為學(xué)習(xí)信號(hào)調(diào)整下一輪決策促成聯(lián)想學(xué)習(xí)的產(chǎn)生[32].在此期間,對(duì)突發(fā)情況的處理與對(duì)有效操作的更深層理解等總結(jié)將被整合成知識(shí)存儲(chǔ)到長(zhǎng)期記憶中,同時(shí),學(xué)習(xí)和針對(duì)性的訓(xùn)練也會(huì)產(chǎn)生新的既定程序.這些反饋到個(gè)體的知識(shí)或技能,又會(huì)在以后的機(jī)器人乳內(nèi)動(dòng)脈獲取手術(shù)中被使用.由此,上一輪感知決策的結(jié)果,一部分通過(guò)環(huán)境信息反饋通路經(jīng)由機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)形成操作感知反饋,一部分由手術(shù)室醫(yī)護(hù)人員和監(jiān)測(cè)儀器構(gòu)成環(huán)境刺激,直接或間接地參與下一輪手術(shù)操作過(guò)程中.

上述外科醫(yī)生在完成機(jī)器人乳內(nèi)動(dòng)脈獲取手術(shù)中感知-決策-操作的信息流如圖3所示,不斷迭代地積累、學(xué)習(xí)、訓(xùn)練,外科醫(yī)生發(fā)展出關(guān)于機(jī)器人乳內(nèi)動(dòng)脈獲取手術(shù)任務(wù)更高級(jí)的心智模型,可有效引導(dǎo)注意力資源,并在無(wú)需載入工作記憶的情況下提供整合信息的方法以及對(duì)手術(shù)場(chǎng)景未來(lái)狀態(tài)的預(yù)測(cè)[33].在這種模式下,環(huán)境中的重要線索會(huì)與長(zhǎng)期記憶中已有的知識(shí)匹配,模式識(shí)別與行為選擇發(fā)展到自動(dòng)化水平[34],進(jìn)而簡(jiǎn)化決策過(guò)程.由此可見(jiàn),長(zhǎng)期記憶對(duì)實(shí)時(shí)情景理解和感知決策具有重要價(jià)值,即使在注意水平較低時(shí),也能產(chǎn)生較高水平的行為表現(xiàn),這正是經(jīng)驗(yàn)豐富的外科醫(yī)生在機(jī)器人乳內(nèi)動(dòng)脈獲取手術(shù)的執(zhí)行過(guò)程方面表現(xiàn)更優(yōu)異的原因.

圖3 外科醫(yī)生的感知決策信息流

2.2 機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)本體信息流構(gòu)建

機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)本體分為主端操作臺(tái)、主從遙操作控制系統(tǒng)和從端機(jī)器人三部分.其中,主端操作臺(tái)由上位機(jī)軟件、顯示器、觸覺(jué)反饋器、主操作手及運(yùn)動(dòng)控制裝置等部分構(gòu)成.主端發(fā)送給從端的控制指令,以及從端反饋給主端的感知信息,經(jīng)過(guò)主從遙操作控制系統(tǒng)加工處理,轉(zhuǎn)化為符合外科微創(chuàng)手術(shù)高精度、高效率和高透明性需求的信息.主從遙操作控制系統(tǒng)作為實(shí)時(shí)傳遞主端從端交互信息的通道,由自主安全規(guī)劃模塊、主從映射模塊、圖像處理模塊及實(shí)時(shí)力反饋等模塊構(gòu)成.從端機(jī)器人作為整個(gè)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)本體的執(zhí)行終端,由下位機(jī)軟件、內(nèi)窺鏡系統(tǒng)、觸覺(jué)感知系統(tǒng)、從操作器械及運(yùn)動(dòng)控制裝置等部分構(gòu)成.在外科醫(yī)生操作機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行乳內(nèi)動(dòng)脈獲取手術(shù)的過(guò)程中,內(nèi)部控制流的傳遞如圖4藍(lán)線所示.

圖4 機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)本體的信息流

首先運(yùn)動(dòng)采集裝置捕獲外科醫(yī)生對(duì)手柄及腳踏板的操作,并轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)信息,通過(guò)運(yùn)動(dòng)信號(hào)編碼器打包成主端操作信息,由上位機(jī)軟件發(fā)送給主從遙操作控制系統(tǒng).由于主從工作空間和位置姿態(tài)的差異性及操作靈巧度等因素,需要實(shí)現(xiàn)主操作手、內(nèi)窺鏡、手術(shù)器械坐標(biāo)系之間的映射.主從精準(zhǔn)映射模塊處理主端操作信息,轉(zhuǎn)變成帶有算法補(bǔ)償?shù)膹亩丝刂浦噶钚畔?被從端的下位機(jī)軟件接收.運(yùn)動(dòng)控制裝置根據(jù)運(yùn)動(dòng)信息解碼器分解的控制指令,實(shí)現(xiàn)低頻電刀和精細(xì)鑷子的切換、夾持與冷凝操作.

當(dāng)通過(guò)鈦夾和電凝對(duì)乳內(nèi)動(dòng)脈分支予以鉗夾止血離斷時(shí),內(nèi)窺鏡系統(tǒng)感知患者內(nèi)部的胸腔環(huán)境,觸覺(jué)感知系統(tǒng)獲取交互部位觸覺(jué)感知,避免電凝損傷乳內(nèi)動(dòng)脈主干血管.將兩系統(tǒng)采集的信息打包成從端感知信息,經(jīng)由下位機(jī)軟件的感知信息編碼器編碼發(fā)送給主從遙操作控制系統(tǒng),如圖4紅線所示.

對(duì)于內(nèi)部環(huán)境部分,交由圖像處理模塊,通過(guò)圖像識(shí)別、圖像增強(qiáng)等操作處理后,再將圖像信息進(jìn)行立體成像加工;對(duì)于力感知部分,交由實(shí)時(shí)力反饋模塊,進(jìn)行交互力的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)等處理,形成力反饋信息.加工處理好的圖像信息和力反饋信息發(fā)送給主端的上位機(jī)軟件.經(jīng)由傳感信息解碼器,對(duì)圖像信息和力反饋信息進(jìn)行解碼.之后分別發(fā)送給立體成像顯示器和觸覺(jué)反饋系統(tǒng),輔助外科醫(yī)生清楚細(xì)致地進(jìn)行病情診斷,并做出正確的手術(shù)操作判斷.

2.3 環(huán)境信息流構(gòu)建

在機(jī)器人乳內(nèi)動(dòng)脈獲取手術(shù)場(chǎng)景中,患者、麻醉醫(yī)生、床旁手術(shù)助手等與手術(shù)室內(nèi)的各種監(jiān)測(cè)設(shè)備共同構(gòu)成環(huán)境,其中患者體內(nèi)的乳內(nèi)動(dòng)脈是外科醫(yī)生控制機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)本體進(jìn)行手術(shù)操作的目標(biāo),患者的生理狀況通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備傳遞給醫(yī)護(hù)人員,麻醉醫(yī)生根據(jù)這些信息調(diào)整麻醉深度,手術(shù)助手在醫(yī)生的指導(dǎo)下完成必要任務(wù).因此手術(shù)“人-機(jī)-環(huán)”系統(tǒng)的環(huán)境部分,既是外科醫(yī)生和機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)操作的對(duì)象,又會(huì)根據(jù)操作結(jié)果主動(dòng)對(duì)外科醫(yī)生和機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行反饋.

這一階段的信息流傳遞過(guò)程如圖5所示.機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)根據(jù)外科醫(yī)生的控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)胸壁上被筋膜和肌肉組織覆蓋的20 cm長(zhǎng)乳內(nèi)動(dòng)脈的全程獲取,操作主要通過(guò)使用低頻電刀和精細(xì)鑷子完成,從患者頭端開(kāi)始向足側(cè)逐一分離乳內(nèi)動(dòng)脈分支.同時(shí)前端操作臂上的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)和力感知系統(tǒng)會(huì)將獲得的該區(qū)域的環(huán)境信息,經(jīng)由機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)本體的主從系統(tǒng)傳遞給外科醫(yī)生,形成操作感知反饋.

圖5 環(huán)境信息流傳遞過(guò)程

乳內(nèi)動(dòng)脈是該手術(shù)場(chǎng)景最重要的交互部位,需要內(nèi)窺鏡監(jiān)測(cè)密閉狹小的胸腔環(huán)境以及跳動(dòng)心臟干擾的情況,以及血氧儀、心電儀等設(shè)備監(jiān)測(cè)患者的身體狀況.同時(shí)在場(chǎng)的醫(yī)護(hù)人員會(huì)根據(jù)手術(shù)過(guò)程中患者的出血量、心率等指標(biāo)對(duì)患者的身體狀況進(jìn)行評(píng)估和簡(jiǎn)單處理,并與監(jiān)測(cè)儀器中的信息一起傳遞給外科醫(yī)生,形成對(duì)外科醫(yī)生的環(huán)境刺激.當(dāng)外科醫(yī)生對(duì)于操作感知反饋和環(huán)境刺激進(jìn)行判斷分析之后,形成的決策指令又會(huì)控制機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行下一步的操作,這一過(guò)程中術(shù)者還需要與麻醉醫(yī)生、床旁助手保持密切溝通,實(shí)時(shí)了解患者生命體征情況并時(shí)刻預(yù)防冠心病患者急性心肌缺血事件的發(fā)生.

3 基于“人-機(jī)-環(huán)”信息流的新一代機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)

機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的目的不是取代外科醫(yī)生,而是作為智慧搭檔幫助外科醫(yī)生高質(zhì)量地完成手術(shù)任務(wù)[35].不管技術(shù)如何發(fā)展,人作為決策控制環(huán)路的核心是不變的[36].目前,機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)與外科醫(yī)生之間存在溝通障礙.一方面,機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的主從異構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致外科醫(yī)生的實(shí)際操作具有滯后性[37],另一方面,外科醫(yī)生難以在主手端建立肌肉記憶與本體感覺(jué)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的掌握[38].這些對(duì)外科醫(yī)生的影響在操作空間較大、任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單、時(shí)限性不強(qiáng)的手術(shù)中不易體現(xiàn),但是在諸如機(jī)器人乳內(nèi)動(dòng)脈獲取這類環(huán)境狹小且任務(wù)復(fù)雜的心臟手術(shù)場(chǎng)景中就會(huì)顯著放大[39].

從本文對(duì)機(jī)器人乳內(nèi)動(dòng)脈獲取手術(shù)場(chǎng)景的“人-機(jī)-環(huán)”信息流研究來(lái)看,機(jī)器與環(huán)境之間的交互阻礙影響系統(tǒng)的工作效能,人與機(jī)器之間的交互阻礙影響系統(tǒng)的融合共進(jìn),人與環(huán)境之間的交互阻礙影響系統(tǒng)的全局感知,“人-機(jī)-環(huán)”之間的交互阻礙影響系統(tǒng)的統(tǒng)籌兼顧.因此本文從“提升工作效能、完善全局感知、促進(jìn)融合共進(jìn)、增強(qiáng)統(tǒng)籌兼顧”這四個(gè)角度對(duì)新一代機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的研發(fā)做出展望,并設(shè)計(jì)新一代機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng),如圖6所示.

圖6 新一代機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了提升智能系統(tǒng)的工作效能,探究人機(jī)任務(wù)劃分.新一代機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)在保證外科醫(yī)生操控的前提下進(jìn)一步減少外科醫(yī)生的體力負(fù)荷,即在保持對(duì)應(yīng)圖5中表示機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境作用的信息流強(qiáng)度不變的前提下,通過(guò)其它體力負(fù)荷較小的行為替代圖4外科醫(yī)生在主手端的操作,減弱圖2中外科醫(yī)生對(duì)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的操控信息流強(qiáng)度.其中首要解決的是人機(jī)任務(wù)劃分問(wèn)題,機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)如何在輸入、處理和輸出過(guò)程中完成對(duì)人類意圖的識(shí)別與執(zhí)行,即需要發(fā)展機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的智能行為操作.一些需要切割、縫合、持針的工作可由機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)根據(jù)程序智能完成,外科醫(yī)生更專注于手術(shù)規(guī)劃和決策判斷的任務(wù).分不是目的,理清人與機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的特點(diǎn),才能釋放人和機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[40],進(jìn)而充分發(fā)揮智能系統(tǒng)的資源流動(dòng)性與合理性.

為了完善智能系統(tǒng)的全局感知,探究多通道信息融合.新一代機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)將人的情景感知過(guò)程引入機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的模式識(shí)別過(guò)程中,即參考圖3中外科醫(yī)生從環(huán)境刺激到整合的信息流方式完善圖4機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)本體對(duì)外科醫(yī)生的綜合反饋信息流,實(shí)現(xiàn)“人感知”與“機(jī)識(shí)別”過(guò)程的統(tǒng)一,增強(qiáng)圖2中的環(huán)境信息反饋.

人類的感知過(guò)程是一個(gè)多模態(tài)的過(guò)程,不同感官之間并不是割裂的單通道信息交互,而是通過(guò)整合不同感官信息實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的認(rèn)知和決策.例如：在手術(shù)中,外科醫(yī)生需要通過(guò)綜合視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等信息診斷病情,進(jìn)行手術(shù)操作.

多通道信息融合表征人類感知機(jī)理下顯隱性知識(shí)轉(zhuǎn)化與融合[41],能增加機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)認(rèn)知決策過(guò)程的可解釋性.多通道信息融合的實(shí)現(xiàn),使外科醫(yī)生可借助機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的超大規(guī)模計(jì)算能力和全面的環(huán)境信息收集處理能力,放大外科醫(yī)生對(duì)患者病灶部位的洞察力與未知信息的理解能力,從而實(shí)現(xiàn)更好的認(rèn)知決策.多通道信息融合有助于人機(jī)關(guān)系的自然化、融合化、智能化發(fā)展[29].

為了促進(jìn)智能系統(tǒng)的融合共進(jìn),探究情境自適應(yīng).新一代機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)是人機(jī)智能的融合,擁有自我意識(shí)的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)可逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)人類智慧的詮釋與默契.因此機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)具備學(xué)習(xí)外科醫(yī)生的自適應(yīng)能力,包括觸發(fā)和提取手術(shù)任務(wù)目標(biāo)、進(jìn)行操作結(jié)果的反饋學(xué)習(xí)、總結(jié)手術(shù)過(guò)程涉及的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、確認(rèn)知識(shí)的正確性等.這種自主學(xué)習(xí)與進(jìn)化通常采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)進(jìn)行實(shí)現(xiàn),結(jié)合行為結(jié)果的顯性反饋和總結(jié)反思的隱性學(xué)習(xí),提高機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的情境自適應(yīng)能力,實(shí)現(xiàn)自主行為規(guī)劃與決策[42].

機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)不僅可根據(jù)情景的變化進(jìn)行自主學(xué)習(xí)與進(jìn)化,也可根據(jù)外科醫(yī)生的需求和行為習(xí)慣自適應(yīng)學(xué)習(xí),實(shí)現(xiàn)用戶個(gè)性化需求.外科醫(yī)生也同樣要進(jìn)行相應(yīng)的反饋學(xué)習(xí),通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的記錄與同行專家的對(duì)比,找出可能忽視的關(guān)鍵點(diǎn),改進(jìn)對(duì)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的操作技能與配合方式.因此,可通過(guò)記錄分析并學(xué)習(xí)圖3中外科醫(yī)生對(duì)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的操作方式,提升圖2中外科醫(yī)生對(duì)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的操控能力和機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)對(duì)外科醫(yī)生的反饋能力.

為了增強(qiáng)智能系統(tǒng)的統(tǒng)籌兼顧,探究人機(jī)混合決策.首先,探究人機(jī)混合決策機(jī)制有助于解決智能人機(jī)系統(tǒng)的信任問(wèn)題.針對(duì)機(jī)器人的決策結(jié)果透明性較低、可解釋性較差的問(wèn)題,提前思考機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的“智能”與外科醫(yī)生的決策之間的邊界及相關(guān)倫理問(wèn)題是十分必要的,增強(qiáng)智能系統(tǒng)的可解釋性對(duì)于建立信任和提高人機(jī)融合至關(guān)重要[43].例如：如何保護(hù)患者的隱私和安全,如何確保機(jī)器人的操作不會(huì)對(duì)患者造成次生傷害等問(wèn)題,出現(xiàn)醫(yī)療事故時(shí)如何界定責(zé)任的主體與歸屬.根據(jù)2021年科技部頒布的《新一代人工智能倫理規(guī)范》,外科醫(yī)生仍需要學(xué)習(xí)并了解機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)在各使用環(huán)節(jié)所需的技能,特別是需要掌握機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)決策的動(dòng)機(jī)和過(guò)程細(xì)節(jié),對(duì)其行為進(jìn)行監(jiān)督,確保機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的安全和高效使用[44].更重要的是,新一代機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)通過(guò)全局觀察和模型計(jì)算,可根據(jù)其感知的任務(wù)情景給出決策推斷,統(tǒng)籌全局要素,高效提供解決方案.然而一些隱性的因素如社會(huì)文化、道德倫理甚至是利益分配等,并沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)符號(hào)化.人類決策可考慮到這些隱性因素,但片面的信息獲取使人類決策難免產(chǎn)生偏差[45].因此在面對(duì)復(fù)雜的決策情境,外科醫(yī)生在保留不確定性和模糊性的同時(shí),可憑借機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)更強(qiáng)的計(jì)算信息處理能力和分析方法找出一個(gè)更全面、更理想的方案[46].此外,機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)給出超越人類思考局限性的決策項(xiàng),外科醫(yī)生可通過(guò)對(duì)比不同決策項(xiàng)之間的差異性,即通過(guò)圖4中機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)本體從端到主端的信息流,強(qiáng)化圖3中外科醫(yī)生從知覺(jué)到?jīng)Q策的信息流,從而促進(jìn)外科醫(yī)生自身的感知決策能力提升.

綜上所述,以“人機(jī)任務(wù)劃分、多模態(tài)信息融合、情境自適應(yīng)、人機(jī)混合決策”為技術(shù)路線研發(fā)的新一代機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)人認(rèn)知決策能力及對(duì)機(jī)器自主進(jìn)化能力的雙向啟發(fā)促進(jìn), 一方面,相比機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的精細(xì)化感知、精準(zhǔn)化控制,外科醫(yī)生的感知、決策和操控行為容易受到心理和生理狀態(tài)等因素的影響,呈現(xiàn)隨機(jī)、多樣、模糊、個(gè)性化等特點(diǎn),在復(fù)雜手術(shù)中容易產(chǎn)生失誤操作行為;另一方面,相比外科醫(yī)生,機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力較弱,應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的處理方案不夠完善,面對(duì)未知復(fù)雜手術(shù)時(shí)的決策能力較差.通過(guò)構(gòu)建“人-機(jī)”融合系統(tǒng),使人、機(jī)均處于智能增強(qiáng)回路中,可充分發(fā)揮人與機(jī)器人的特長(zhǎng)[17],高效精準(zhǔn)地調(diào)整和優(yōu)化手術(shù)過(guò)程.從外科醫(yī)生對(duì)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的智能增強(qiáng)角度出發(fā),機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)會(huì)學(xué)習(xí)外科醫(yī)生的操作過(guò)程和操作習(xí)慣,并根據(jù)外科醫(yī)生的行為規(guī)劃學(xué)習(xí)手術(shù)目標(biāo)的主次性;從機(jī)器對(duì)人的智能增強(qiáng)角度出發(fā),面對(duì)突發(fā)情況時(shí),機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)可根據(jù)患者的生理健康指標(biāo),快速分析當(dāng)前情況產(chǎn)生的原因,并基于對(duì)豐富的手術(shù)歷史數(shù)據(jù)的分析,為外科醫(yī)生提供更理想的解決方案.通過(guò)外科醫(yī)生與機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)在不同層次上的雙向啟發(fā)與融合迭代,外科醫(yī)生的思維與操作能力能得到大幅提升,機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的智能水平也隨之增強(qiáng).

4 結(jié) 束 語(yǔ)

當(dāng)前機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)帶來(lái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)已在大量臨床應(yīng)用與研究中得到充分驗(yàn)證,但現(xiàn)有的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)在感知理解、靈活決策、自適應(yīng)學(xué)習(xí)等方面的不足限制其整體效能的發(fā)揮,因此發(fā)展“人機(jī)融合智能共進(jìn)”的新一代機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.本文借鑒綜合集成的思想,梳理機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)場(chǎng)景的三個(gè)發(fā)展階段,并構(gòu)建微創(chuàng)外科手術(shù)任務(wù)場(chǎng)景下各子系統(tǒng)的交互信息流.以“人機(jī)任務(wù)分工-多模態(tài)信息融合-情境自適應(yīng)-人機(jī)混合決策”為技術(shù)路線,展望新一代機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).通過(guò)構(gòu)建物理和認(rèn)知的雙向交互通道,優(yōu)化手術(shù)整體過(guò)程,促進(jìn)客觀數(shù)據(jù)與主觀信息的有效融合.在這樣的雙向交互反饋中,人機(jī)系統(tǒng)互相啟發(fā),持續(xù)調(diào)整與優(yōu)化,外科醫(yī)生的操作能力和機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的智能水平隨之提升、增強(qiáng),“人-機(jī)”系統(tǒng)協(xié)同性提高,最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合智能共進(jìn),達(dá)到提升手術(shù)質(zhì)量和效率、促進(jìn)機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的推廣普及的目的.