近幾年，醫(yī)療市場(chǎng)對(duì)于手術(shù)機(jī)器人的需求持續(xù)增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外多家巨頭企業(yè)紛紛布局手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)，達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人原一家獨(dú)大的壟斷局面逐步被打破。在資本的推動(dòng)下，手術(shù)機(jī)器人在技術(shù)上不斷取得新的進(jìn)展，胸腔和腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人技術(shù)逐步成熟。

腔鏡手術(shù)機(jī)器人被譽(yù)為“醫(yī)療器械領(lǐng)域的航空母艦”，是目前手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域系統(tǒng)極為復(fù)雜、技術(shù)難度極大、臨床與商用價(jià)值極高的研發(fā)方向之一。尤其是在腹腔手術(shù)中，由于目標(biāo)組織的進(jìn)入和可見度有限，加上呼吸運(yùn)動(dòng)造成的偽影干擾，手術(shù)難度極大。

近日，來自約翰·霍普金斯大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一款智能組織自主機(jī)器人 STAR，該機(jī)器人在沒有人類指導(dǎo)的情況下，成功完成對(duì)一頭豬的軟組織腹腔鏡手術(shù)。

相關(guān)研究以“Autonomous robotic laparoscopic surgery for intestinal anastomosis”為題，發(fā)表在科學(xué)期刊 Science Robotics 上。該研究實(shí)現(xiàn)了使用智能組織自主機(jī)器人（STAR）執(zhí)行機(jī)器人腹腔鏡小腸吻合術(shù)所需的增強(qiáng)自主性，并且能夠在腹腔鏡下實(shí)施增強(qiáng)的全吻合自主操作，標(biāo)志著機(jī)器人技術(shù)向人類全自動(dòng)手術(shù)邁出的重要一步。

圖| 機(jī)器人在沒有人類幫助的情況下對(duì)豬的軟組織進(jìn)行了腹腔鏡手術(shù)

該研究的作者之一、約翰·霍普金斯大學(xué)懷特工程學(xué)院機(jī)械工程助理教授 Axel Krieger 說：“我們的研究結(jié)果表明，我們可以將外科手術(shù)中最復(fù)雜、精細(xì)的任務(wù)之一實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化——重新連接腸道的兩端。 STAR 在四只動(dòng)物身上進(jìn)行了手術(shù)，明顯比醫(yī)生進(jìn)行同樣的手術(shù)效果要好?！?/strong>

首個(gè)在軟組織中完成吻合術(shù)的自主手術(shù)機(jī)器人

外科手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展已有多年，但多以輔助型手術(shù)系統(tǒng)為主，如處于世界尖端水平的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人，由外科醫(yī)生控制機(jī)器人輔助進(jìn)行手術(shù)，系統(tǒng)雖具有極高的精準(zhǔn)性，但在實(shí)現(xiàn)自主手術(shù)上 仍面臨相當(dāng)大的挑戰(zhàn) 。

自主軟組織手術(shù)要求手術(shù)機(jī)器人具備準(zhǔn)確可靠的成像系統(tǒng)，從而檢測(cè)和跟蹤目標(biāo)組織，還需考慮軟組織變形給手術(shù)帶來的復(fù)雜度增加等因素，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)要求較高。腹腔鏡手術(shù)就是一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景，由于目標(biāo)組織的進(jìn)入和可見度有限，加上呼吸運(yùn)動(dòng)造成的偽影干擾，導(dǎo)致手術(shù)難度極大。

在外科手術(shù)中，吻合術(shù)恰好是考察自主機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行軟組織手術(shù)的一個(gè)合適場(chǎng)景。該手術(shù)的目的是將軟組織的兩個(gè)斷端接起來，恢復(fù)連續(xù)的生理結(jié)構(gòu)，如胃腸道吻合術(shù)、輸卵管吻合術(shù)、肌腱吻合術(shù)等。在技術(shù)上，涉及腔結(jié)構(gòu)的近似和重建，對(duì)手術(shù)的可操作性和可重復(fù)性要求極高。

盡管現(xiàn)有的自主手術(shù)機(jī)器人已取得明顯進(jìn)步，但多數(shù)系統(tǒng)在復(fù)雜任務(wù)中仍表現(xiàn)出較低的自主性，對(duì)醫(yī)生的依賴性較高。在該研究中，Axel Krieger 等人設(shè)計(jì)了一款面向腹腔鏡手術(shù)場(chǎng)景的增強(qiáng)型自主 STAR 系統(tǒng)，并配備了專門的縫合工具和最先進(jìn)的成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)使用近紅外標(biāo)記，可跟蹤目標(biāo)組織縫合過程的起點(diǎn)和終點(diǎn)，在手術(shù)過程中對(duì)血液和薄組織的閉塞具有較強(qiáng)的魯棒性，系統(tǒng)的自主性和手術(shù)精度得以增強(qiáng)。

圖 | 加強(qiáng)自主腹腔鏡軟組織手術(shù)（A：STAR系統(tǒng)的組成部分，包括醫(yī)療機(jī)器人手臂、驅(qū)動(dòng)的手術(shù)工具以及雙通道近紅外和三維結(jié)構(gòu)光內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)；B：STAR的增強(qiáng)型自主控制策略的控制架構(gòu)）

連接腸道的兩端可謂是胃腸手術(shù)中最具挑戰(zhàn)性的一步，需要外科醫(yī)生以高精度和一致性對(duì)腸道進(jìn)行縫合，即使是手術(shù)中最輕微的手部顫抖或錯(cuò)位的縫線，均可能導(dǎo)致腸道內(nèi)分泌物的泄漏，為患者帶來災(zāi)難性的并發(fā)癥。

研究人員使用 STAR 在豬小腸上進(jìn)行體內(nèi)腹腔鏡自主手術(shù)。術(shù)前，操作員通過圖形用戶界面啟動(dòng) STAR ，系統(tǒng)自主生成縫合算法并實(shí)施縫合任務(wù)。在縫合過程中，操作員會(huì)在 STAR 執(zhí)行縫線計(jì)劃之前通過 GUI 對(duì)縫合步驟進(jìn)行微調(diào)，但大部分工作流程都是以自主方式完成的。

在腹腔鏡手術(shù)期間，由于豬的呼吸和其他組織運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致手術(shù)目標(biāo)組織的運(yùn)動(dòng)，給手術(shù)增加難度。為此，研究人員開發(fā)了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和近紅外攝像機(jī)反饋的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，來跟蹤手術(shù)期間目標(biāo)組織的運(yùn)動(dòng)。

Krieger 說：“軟組織手術(shù)對(duì)機(jī)器人來說尤其困難，因?yàn)樗牟豢深A(yù)測(cè)性迫使它們能夠快速適應(yīng)以應(yīng)對(duì)意外的障礙。STAR 是一個(gè)新穎的控制系統(tǒng)，可以像外科醫(yī)生一樣實(shí)時(shí)調(diào)整手術(shù)計(jì)劃。STAR 的特別之處在于，它是首個(gè)在軟組織中自主規(guī)劃、調(diào)整和執(zhí)行手術(shù)計(jì)劃的機(jī)器人系統(tǒng)，且手術(shù)過程中人工干預(yù)最少?！?/p>

縫合技術(shù)可與外科醫(yī)生相媲美

為檢測(cè)手術(shù)效果，研究人員對(duì)小豬進(jìn)行了為期 1 周的術(shù)后存活期監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行了有限的尸檢。生存研究結(jié)果表明，STAR 系統(tǒng)可以在無泄漏吻合和管腔通暢等指標(biāo)上與專家外科醫(yī)生的表現(xiàn)相媲美，系統(tǒng)甚至表現(xiàn)出更高的一致性水平。

圖 | 體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（A：用 STAR（n = 4）和手動(dòng)腹腔鏡對(duì)照試驗(yàn)（n = 1）操作的每個(gè)吻合口組織的代表性組織學(xué)例子；B) PMN 細(xì)胞作為每個(gè)樣本的炎癥的代用指；C：尸檢時(shí)收集的吻合口的代表例子，用于 STAR 和對(duì)照測(cè)試。）

盡管該研究取得了突破性的進(jìn)步，但在手術(shù)技術(shù)和效果上還存在一定的局限性。如，機(jī)器人控制算法的成功實(shí)施取決于目標(biāo)組織在某個(gè)工作區(qū)域的可達(dá)性等因素，STAR 機(jī)器人、手動(dòng)腹腔鏡手術(shù)和遙控達(dá)芬奇手術(shù)的比較是在幻影組織上進(jìn)行的，而體內(nèi)研究不可能使用基于達(dá)芬奇的測(cè)試臂。

研究人員表示，在未來的研究中，將集成和測(cè)試無標(biāo)記組織跟蹤技術(shù)，將相機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為內(nèi)窺鏡，并增加觸覺傳感器，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的自主性，加快機(jī)器人完成手術(shù)的時(shí)間。

盡管在復(fù)雜和不可預(yù)測(cè)的手術(shù)場(chǎng)景中無法消除人工監(jiān)督的作用，但 STAR 系統(tǒng)可有效降低由于醫(yī)生在醫(yī)學(xué)經(jīng)驗(yàn)和能力上的個(gè)體差異導(dǎo)致的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并提高手術(shù)安全性和手術(shù)結(jié)果的一致性。

Krieger 表示，隨著醫(yī)學(xué)領(lǐng)域朝著更多的腹腔鏡手術(shù)方法發(fā)展，擁有一個(gè)為此類手術(shù)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化機(jī)器人系統(tǒng)顯得非常重要?！皺C(jī)器人吻合術(shù)是確保每位患者都能以更高的準(zhǔn)確性和精確度執(zhí)行需要高精度和可重復(fù)性的手術(shù)任務(wù)的一種方法，而與外科醫(yī)生的技能無關(guān)。我們假設(shè)這將導(dǎo)致患者護(hù)理的民主化手術(shù)方法具有更高的可預(yù)測(cè)和一致性。”

參考資料：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj2908

https://techxplore.com/news/2022-01-robot-laparoscopic-surgery-human.html

本文來自微信公眾號(hào) “學(xué)術(shù)頭條”（ID：SciTouTiao），作者：XT，編審：寇建超，排版：李雪薇，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。