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2017年12月13日 星期三

Robot Surgeons are the Future of Medicine




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來源: CNET科技行者


曾經,說到機器人就會聯想起它們冰冷機械零件,堆砌出的外表,生硬的機器語言,受人類操控為人類服務;現如今,人工智慧等技術賦予機器人以「個性」,一個個形態萬千,功能迥異的機器人,出現在了人們的日常生活中。

本文將聚焦醫療機器人領域,美國著名腫瘤外科專家、虛擬手術創始人Dr. Shafi Ahmed曾表示:「手術機器人替代外科醫生只是個時間問題,未來外科手術室裡,不會再有一群醫生,從早到晚有做不完的手術了。」

你知道麼?早在1985年,美國人就嘗試用Puma560工業機器人輔助進行腦組織活檢,這是手術機器人最初的雛形和探索;在80年代末90年代初,誕生了以RoboDoc外科手術機器人為代表的,專門用於手術的外科機器;

1994年,美國Computer Motion公司研製的伊索(Aesop)持鏡機器人,可以模仿人手臂功能,取消了對輔助人員手動控制內窺鏡的需要,實現比人為控制更精確一致的鏡頭運動,為醫生提供直接、穩定的視野(至2014年,外科醫師已經應用伊索機器人在全球做了超過7.5萬例次微創手術);1999年1月9日,美國Intuitive Surgical公司發佈了達芬奇外科手術機器人系統,2000年被美國藥監局正式批准投入使用認證,成為全球首套可以在腹腔手術中,使用的機器人手術系統。

去年,一台名為STAR(Smart Tissue Autonomous Robot,以下簡稱STAR機器人)的醫療機器人問世,並且迅速佔據了更大科技媒體頭條,為什麼?因為它是全球第一台,可以自主處理軟組織的手術機器人,通過專門的算法程序自主完成操作,能避免手術中可能出現的人為差錯。這也標誌著外科手術無人化向前邁進了一大步。


手术不再需要人类医生只是时间问题?
STAR自主手術機器人



STAR機器人背景揭秘
STAR機器人是由美國華盛頓兒童國家健康系統(Children's National Health System)的Peter C.Kim團隊研發。經過長達7年之久的探索和磨合訓練,Kim團隊整合了近紅外線螢光(NIRF)標記和3D光場成像技術,解決了成像問題。

這套成像系統透過捕捉組織器官的光場資訊,生成3D立體影像。

有了這套成像系統,STAR就可以在整個手術過程中,準確而不受限制地,監測目標組織的運動和變化。STAR就像就有了「眼睛」,它知道哪個組織是它手術的目標,哪個是不能碰的。

為了配合STAR的這套成像系統,Kim團隊又自主創新的研發了一套智慧算法。這套算法不僅可以制訂手術方案,它還可以根據成像系統傳回的資訊,判斷組織的變化,進而對手術方案作出調整。

STAR機器人將自主完成手術全過程,醫生並不參與操控,只需要站在旁邊監督。為了應對緊急情況,醫生可以隨時暫停機器人的工作。

它已經做了兩次豬腸縫合手術,一次在活體外,一次在活體內,均取得成功。在2017智慧機器人與系統國際學術會議(IROS 2017)上,STAR研發團隊,展示了STAR機器人最新的研究結果:相比起專業的外科醫生,機器人也能夠更精確地切開組織,對周圍的組織損傷也更小。

STAR機器人的「豬肉組織切割實驗」
美國馬里蘭大學機械工程學院副教授Axel Krieger參與了這項研究,他說:「我真的相信機器人做手術,是外科的發展趨勢。

為開展研究,研究人員到肉店買了豬的三種組織:豬皮、脂肪和豬肉。在比較STAR機器人和外科醫生做手術之前,首先有必要證實STAR機器人,能夠精確切割這三種不規則軟組織,因為這些軟組織彈性大,滑動性大,切割時極易產生誤差。

STAR機器人在做手術時,會跟隨預先划定的切割路徑,同時不斷調整切割角度,來適應組織切割時產生的各種阻力。


手术不再需要人类医生只是时间问题?
圖片來源:Justin Opfermann Ryan Decker

研究人員事先在組織上做好小標記,這些標記會顯示在機器人的近紅外線相機上,從而幫助機器人完成視覺追蹤。因此,研究人員也稱STAR為半自動機器人。Axel Krieger稱:「做好標記後,機器人便可自動完成腫瘤切割手術。」


手术不再需要人类医生只是时间问题?
圖片來源:Justin Opfermann Ryan Decker



經證實STAR機器人能夠完成切割手術。Axel Krieger及其同事,已讓STAR機器人,和外科專家進行對比實驗,共同完成過一台豬皮組織切割手術。

機器人和外科醫生,需在豬皮組織上完成5釐米長的直線切割。手術的評判標準是手術切線,與給定長度的標準切線之間的偏離程度,以及其切口周圍受損皮膚的面積。評判結果為:與醫生相比,STAR機器人的切口長度更接近5釐米,與標準切線的偏離程度更低,因而受損皮膚的面積更小。

試驗的最後階段,研究團隊讓STAR機器人,從豬的脂肪層中,切除一個黏土製成的人造腫瘤。人造腫瘤上附有薄層組織,增加了機器人辨識腫瘤的難度。

研究人員預先標出腫瘤的邊界,然後引導STAR切除邊界,周長為四毫米的人造腫瘤。結果,機器人又一次完成了精準切割,為癌症病人帶來了希望。

Axel Krieger稱:「下一步將訓練STAR機器人,處理複雜的三維形態的腫瘤,這將需要新型相機進行視覺追蹤,以及更加精密的手術規劃軟體。」

跟外科醫生搶飯碗的機器人會越來越多
現在,外科醫生通常用手術筆,標記腫瘤邊界,也可以很容易轉向使用紅外線標記法,引導機器人完成手術。此外,如果醫生想讓STAR機器人完全自己完成手術,STAR機器人可從CT和MRI影像中獲取資訊,確定腫瘤位置。由此可見,STAR將成為手術室「新星」。

STAR機器人研發團隊認為,醫療機器人的理念,和自動駕駛汽車相同——不是因為我們不會開車,而是因為我們想減少交通事故的發生。機器人可以精準穩定地操作一切,無需休息,大大提高治療效率,縮短病人的等待時間,提高就醫效率。

伴隨著人工智慧的發展和系統器械的完善,手術機器人將進一步功能細化,大到機體外科手術,小到傷口消毒縫合,實現專科化、專項化。

這樣一來,既降低了研發成本和難度,加快了迭代更新的頻率,又減少了生產成本,繼而降低了病人看病的成本,可以又快又好地實現醫療無人化。

                                                                                                                                                                                                                            

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