曾經(jīng)，說到機(jī)器人就會(huì)聯(lián)想起它們冰冷機(jī)械零件堆砌出的外表，生硬的機(jī)器語言，受人類操控為人類服務(wù)；現(xiàn)如今，人工智能等技術(shù)賦予機(jī)器人以“個(gè)性”，一個(gè)個(gè)形態(tài)萬千，功能迥異的機(jī)器人出現(xiàn)在了人們的日常生活中。

本文將聚焦醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域，美國著名腫瘤外科專家、虛擬手術(shù)創(chuàng)始人Dr．ShafiAhmed曾表示：“手術(shù)機(jī)器人替代外科醫(yī)生只是個(gè)時(shí)間問題，未來外科手術(shù)室里不會(huì)再有一群醫(yī)生從早到晚有做不完的手術(shù)了。”

你知道么？早在1985年，美國人就嘗試用Puma560工業(yè)機(jī)器人輔助進(jìn)行腦組織活檢，這是手術(shù)機(jī)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(shù)機(jī)器人為代表的專門用于手術(shù)的外科機(jī)器；1994年，美國ComputerMotion公司研制的伊索（Aesop）持鏡機(jī)器人可以模仿人手臂功能，取消了對(duì)輔助人員手動(dòng)控制內(nèi)窺鏡的需要，實(shí)現(xiàn)比人為控制更精確一致的鏡頭運(yùn)動(dòng)，為醫(yī)生提供直接、穩(wěn)定的視野（至2014年，外科醫(yī)師已經(jīng)應(yīng)用伊索機(jī)器人在全球做了超過7．5萬例次微創(chuàng)手術(shù)）；1999年1月9日，美國IntuitiveSurgical公司發(fā)布了達(dá)芬奇外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，2000年被美國藥監(jiān)局正式批準(zhǔn)投入使用認(rèn)證，成為全球首套可以在腹腔手術(shù)中使用的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)。

去年，一臺(tái)名為STAR（SmartTissueAutonomousRobot，以下簡(jiǎn)稱STAR機(jī)器人）的醫(yī)療機(jī)器人問世，并且迅速占據(jù)了更大科技媒體頭條，為什么？因?yàn)樗侨虻谝慌_(tái)可以自主處理軟組織的手術(shù)機(jī)器人，通過專門的算法程序自主完成操作，能避免手術(shù)中可能出現(xiàn)的人為差錯(cuò)。這也標(biāo)志著外科手術(shù)無人化向前邁進(jìn)了一大步。

STAR自主手術(shù)機(jī)器人

STAR機(jī)器人背景揭秘

STAR機(jī)器人是由美國華盛頓兒童國家健康系統(tǒng)（Children＇sNationalHealthSystem）的PeterC．Kim團(tuán)隊(duì)研發(fā)。經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)7年之久的探索和磨合訓(xùn)練，Kim團(tuán)隊(duì)整合了近紅外熒光（NIRF）標(biāo)記和3D光場(chǎng)成像技術(shù)，解決了成像問題。這套成像系統(tǒng)通過捕捉組織器官的光場(chǎng)信息，生成3D立體影像。有了這套成像系統(tǒng)，STAR就可以在整個(gè)手術(shù)過程中，準(zhǔn)確而不受限制地監(jiān)測(cè)目標(biāo)組織的運(yùn)動(dòng)和變化。STAR就像就有了“眼睛”，它知道哪個(gè)組織是它手術(shù)的目標(biāo)，哪個(gè)是不能碰的。為了配合STAR的這套成像系統(tǒng)，Kim團(tuán)隊(duì)又自主創(chuàng)新的研發(fā)了一套智能算法。這套算法不僅可以制定手術(shù)方案，它還可以根據(jù)成像系統(tǒng)傳回的信息，判斷組織的變化，進(jìn)而對(duì)手術(shù)方案作出調(diào)整。

STAR機(jī)器人將自主完成手術(shù)全過程，醫(yī)生并不參與操控，只需要站在旁邊監(jiān)督。為了應(yīng)對(duì)緊急情況，醫(yī)生可以隨時(shí)暫停機(jī)器人的工作。

它已經(jīng)做了兩次豬腸縫合手術(shù)，一次在活體外，一次在活體內(nèi)，均取得成功。在2017智能機(jī)器人與系統(tǒng)國際學(xué)術(shù)會(huì)議（IROS2017）上，STAR研發(fā)團(tuán)隊(duì)展示了STAR機(jī)器人最新的研究結(jié)果：相比起專業(yè)的外科醫(yī)生，機(jī)器人也能夠更精確地切開組織，對(duì)周圍的組織損傷也更小。

STAR機(jī)器人的“豬肉組織切割實(shí)驗(yàn)”

美國馬里蘭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授AxelKrieger參與了這項(xiàng)研究，他說：“我真的相信機(jī)器人做手術(shù)是外科的發(fā)展趨勢(shì)?！?/p>

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(jī)器人和外科醫(yī)生做手術(shù)之前，首先有必要證實(shí)STAR機(jī)器人能夠精確切割這三種不規(guī)則軟組織，因?yàn)檫@些軟組織彈性大，滑動(dòng)性大，切割時(shí)極易產(chǎn)生誤差。

STAR機(jī)器人在做手術(shù)時(shí)，會(huì)跟隨預(yù)先劃定的切割路徑，同時(shí)不斷調(diào)整切割角度，來適應(yīng)組織切割時(shí)產(chǎn)生的各種阻力。

研究人員事先在組織上做好小標(biāo)記，這些標(biāo)記會(huì)顯示在機(jī)器人的近紅外相機(jī)上，從而幫助機(jī)器人完成視覺追蹤。因此，研究人員也稱STAR為半自動(dòng)機(jī)器人。AxelKrieger稱：“做好標(biāo)記后，機(jī)器人便可自動(dòng)完成腫瘤切割手術(shù)?！?/p>

經(jīng)證實(shí)STAR機(jī)器人能夠完成切割手術(shù)。AxelKrieger及其同事已讓STAR機(jī)器人和外科專家進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，共同完成過一臺(tái)豬皮組織切割手術(shù)。

機(jī)器人和外科醫(yī)生需在豬皮組織上完成5厘米長(zhǎng)的直線切割。手術(shù)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是手術(shù)切線與給定長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)切線之間的偏離程度以及其切口周圍受損皮膚的面積。評(píng)判結(jié)果為：與醫(yī)生相比，STAR機(jī)器人的切口長(zhǎng)度更接近5厘米，與標(biāo)準(zhǔn)切線的偏離程度更低，因而受損皮膚的面積更小。

試驗(yàn)的最后階段，研究團(tuán)隊(duì)讓STAR機(jī)器人從豬的脂肪層中切除一個(gè)黏土制成的人造腫瘤。人造腫瘤上附有薄層組織，增加了機(jī)器人識(shí)別腫瘤的難度。研究人員預(yù)先標(biāo)出腫瘤的邊界，然后引導(dǎo)STAR切除邊界周長(zhǎng)為四毫米的人造腫瘤。結(jié)果，機(jī)器人又一次完成了精準(zhǔn)切割，為癌癥病人帶來了希望。

AxelKrieger稱：“下一步將訓(xùn)練STAR機(jī)器人處理復(fù)雜的三維形態(tài)的腫瘤，這將需要新型相機(jī)進(jìn)行視覺追蹤，以及更加精密的手術(shù)規(guī)劃軟件。”

跟外科醫(yī)生搶飯碗的機(jī)器人會(huì)越來越多

現(xiàn)在，外科醫(yī)生通常用手術(shù)筆標(biāo)記腫瘤邊界，也可以很容易轉(zhuǎn)向使用紅外線標(biāo)記法，引導(dǎo)機(jī)器人完成手術(shù)。此外，如果醫(yī)生想讓STAR機(jī)器人完全自己完成手術(shù)，STAR機(jī)器人可從CT和MRI影像中獲取信息，確定腫瘤位置。由此可見，STAR將成為手術(shù)室“新星”。

STAR機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，醫(yī)療機(jī)器人的理念和自動(dòng)駕駛汽車相同——不是因?yàn)槲覀儾粫?huì)開車，而是因?yàn)槲覀兿霚p少交通事故的發(fā)生。機(jī)器人可以精準(zhǔn)穩(wěn)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(shí)間，提高就醫(yī)效率。

伴隨著人工智能的發(fā)展和系統(tǒng)器械的完善，手術(shù)機(jī)器人將進(jìn)一步功能細(xì)化，大到機(jī)體外科手術(shù)，小到傷口消毒縫合，實(shí)現(xiàn)專科化、專項(xiàng)化。這樣一來，既降低了研發(fā)成本和難度，加快了迭代更新的頻率，又減少了生產(chǎn)成本，繼而降低了病人看病的成本，可以又快又好地實(shí)現(xiàn)醫(yī)療無人化。