手術機器人智能技術的進展與挑戰

手術機器人近年來在科學、產業及醫療等領域發展迅速，從臨床到研究均獲得廣泛關注。尤其是近期的醫工結合發展，促使其智能化水平顯著提升，這裏著重對近年來在ScienceRobotics、Science Translational Medicine、IEEETransactions on Robotics、Head& Neck等期刊上涉及的手術機器人智能技術研究進行了討論，拋磚引玉。
1.單孔手術機器人的臨床評價
2019年3月15日，IntuitiveSurgical(ISRG)宣布，該公司Da Vinci SP型手術機器人的經口耳鼻喉科手術獲得FDA批準，成為該型適用的第二類手術。盡管daVinci SP手術機器人係統已問世，但很少有資料能指導麵對新技術的外科醫生。此外，daVinci SP的結果還沒有直接與目前廣泛使用的da Vinci Si係統的結果進行比較。梅奧診所醫學院[1]將daVinci SP機器人用於經口入路治療口咽癌（OPSCCs），統計了一年的手術結果，並將其與daVinci Si機器人的手術結果進行了比較。
da Vinci SP手術機器人通過單孔將靈活的內窺鏡和器械臂置入喉部和下咽部的手術部位，並且與一個口腔牽開器相配合，擴大了TOR手術中外科醫生和助手的工作空間，從而改善了上呼吸道的進入和可視化操作。在相關實踐過程中，daVinci SP機器人係統在大規模TOR中表現良好，無與機器人平台直接相關的並發症，說明SP成為了治療上呼吸道腫瘤的安全手術器械。盡管新係統帶來了額外的技術挑戰，但對於有經驗的TOR手術外科醫生，SP的總體學習曲線短。與使用Si係統治療的OPSCC患者的群體數據相比，作者發現兩者在總手術時間、機器人控製時間以及術後出血率方麵沒有差異。隨著SP漸漸融入日常實踐，需要正規的培訓計劃來確保醫生安全高效地過渡到SP平台。

作者在一個TOR操作中心進行了回顧研究，包括從2018年10月至2019年9月接受TOR單孔手術的所有患者。將SP-OPSCC結果與Si-OPSCC患者的所有曆史數據進行比較。其中，78例患者接受了SP手術治療，出血率5.1%，死亡率2.6%，轉化率0%，與daVinci Si組相比，進行TORS-SP手術的OPSCC患者手術時間和術後出血方麵無顯著性差異（P>0.05）。

2. 手術機器人的靈巧化

雖然機器人技術已經提高了微創腹部、腦外科、骨科、介入科等手術的性能，但其適應更精細、更迂回、多通道的區域仍然具有很大的挑戰，並且某些手術仍然必須使用更具侵襲性的方式進行。因此，類似手術場景要求機器人具有體積小、柔性強，能通過非線性路徑到達難以進入的手術部位，靈活完成手術任務。連續體機器人的結構與由關節連接的離散剛性連杆組成的傳統機器人有著根本性區別。當關節的數量接近無窮大（而連接長度接近於零）時，機器人就可被稱為連續體機器人。雖然第一個連續機器人是在近50年前創建的，但醫學應用顯然是過去十年來連續機器人研究的主要驅動因素之一。從醫學的角度來看，連續機器人的小尺寸和順應性是有利的，但對傳感、控製和人機交互提出了很高的要求。
Choset[2]總結了連續體機器人應用於外科手術的重要研究。作者調查了醫學應用中連續機器人研究的核心技術，包括特定醫療問題的設計、建模、控製、傳感和應用方麵的實質性進展。同時，概述了在臨床方麵商業化或相對較先進的手術係統。作者介紹了兩個已經獲得FDA批準的連續體機器人應用：遠程操作的連續機器人係統（HansenMedical Inc.和StereotaxisInc.）和超冗餘係統（Medrobotics Inc.）。連續體因為可提供侵入性較小的通路和操作，將越來越有利於外科醫生和患者。

3. 遙操作手術機器人的自動化

自動化是手術機器人的重要發展方向，在醫療領域由於其特殊性目前自動化的程度相對於工業、服務以及特種領域均較低。目前機器人輔助手術（RASs）的模式完全取決於單個外科醫生的手動能力。自動機器人手術可以保證手術效率和安全性的提高，並改善優化手術技術。由於技術上的限製，涉及軟組織的手術尚未獨立進行，包括缺乏能夠在動態手術環境中識別和跟蹤目標組織的視覺係統，以及缺乏能夠執行複雜手術任務的智能算法。美國約翰霍普金斯大學[3]通過增強視覺、靈巧性和互補的機器智能來改善手術效果、安全性，實現軟組織變形的自動跟蹤、監測以及吻合。通過實驗證明，自主機器人可以提高手術的效率、一致性、功能結果和可行性。
作者認為，具有自主性的手術機器人不是為了取代外科醫生，而是提高醫生的能力。目前遠程手術的模式完全取決於每個手術醫生的能力。由於自主機器人手術可預測性強，目前隻適用於具有剛性結構的解剖，如骨骼切割。而下一步，在軟組織手術中將自主規劃和機器人遙操作相結合，可最大限度地減少了技術不確定性，與純人工手術或者自動機器人手術方法相比可能會獲得更好的結果。外科醫生和機器人之間的這種交互式自適應決策展示了未來機器人手術的新範例。

4. 影像引導手術機器人的自主化

為提升介入手術的智能化、自主化，哈佛大學醫學院[4]從趨觸性的昆蟲中獲得靈感，研發了一種新型機器人導管。它可以在充滿血液的心髒中導航，這種導管使用混合觸覺、視覺的感知方法，使用圖像進行基於觸摸的表麵識別和力傳感，以完成充滿血液的心髒內壁跟蹤。觸覺視覺傳感器提供了導管尖端的高分辨率視圖，這正是壁跟蹤和設備部署所需的視圖。該傳感器與機器學習和圖像處理算法相結合，使機器人能夠區分其接觸的物體並控製其接觸力。但在一些特殊、複雜的位置移動時，如：主動脈瓣環，成功率還有待提升。在未來，壁跟蹤自主導航可擴展到許多微創手術，包括血管、氣道、胃腸道和腦心室係統的手術。
通過活體動物實驗，證明了在某些方麵自主控製的機器人導管性能達到了臨床醫生的水平。自主導航是一種基本能力，在此基礎上可以建立更複雜的自主級別，例如執行一個過程。與工業自動化的作用類似，這種能力可以使臨床醫生自由地專注於手術中的最關鍵方麵，提高醫生經驗和操作精度，減少重複疲勞。

5. 遠程手術機器人的數字孿生技術

遠程診療是手術機器人的重要發展方向。隨著5G、互聯網技術的發展，為遠程手術機器人的進一步應用提供了基礎。芬蘭科學家[5]利用數字孿生技術為遠程手術機器人提供非常好的沉浸感和透明度。數字孿生（DT）的思想是通過一個單獨的接口，將與產品或過程相關的每個數據源和控製接口描述引入，便於自主探索和自動通信的建立。研究者利用一個機械臂和HTCvive虛擬現實（VR）係統組成主從端，通過移動網絡連接。在研究中，結合一個網絡操作模塊來測試網絡中斷和攻擊的影響，以此解決係統的網絡安全問題。雖然係統的實際遠程手術能力受到虛擬現實係統能力和機器人反饋不足的限製，但是可以利用該係統進行遠程手術的模擬和研究。將來，患者和外科醫生也可能擁有自己的數字孿生，這將使係統能夠讀取曆史和實時的健康和性能數據。甚至在外科醫生進入手術室之前，就可以計劃手術並檢查病人的健康記錄。

6. 手術機器人智能化發展與挑戰

在手術機器人邁向未來的過程中，仍麵臨許多重大挑戰，Sciencerobotics[6]對該領域進行了展望。外科和介入機器人技術的主要挑戰是更高自主程度係統的研發。現有醫療機器人的自主能力仍然有限。在大多數情況下，機器人的貢獻是提高了外科醫生的技術水平。例如，IntuitiveSurgical公司的 da Vinci手術機器人係列產品使腹腔鏡檢查變得容易;Stryker的Mako機器人手臂通過比外科醫生更精確的骨骼鑽孔技術來增強髖關節和膝關節置換功能。在這兩個例子中，機器人相當於外科醫生手的延伸，故其運動必須受到外科醫生的控製。之前研究的Robodoc係統與前者有所不同，它會根據醫療圖像執行預先計算和經外科醫生批準的手術路徑。盡管這些係統在將外科醫生的意圖轉化為機器人執行器的實際動作時，都有一定程度的“自主性”。但是當控製器需要做出更複雜的行為來表現臨床醫生的決策時，現有技術並不能滿足。因此，在滿足相應的監管和倫理條件的前提下，醫療機器人的自主性技術發展將逐步推進。例如，心髒介入治療包括利用術前和術中影像的結合，從外周血管的經皮入路導航到心髒內的特定位置。而目前基於圖像的機器人導航理論已經很成熟，因此開發安全的導航算法是可行的。隨著心髒介入裝置(如經導管瓣膜)臨床經驗的增加，這些裝置的部署可能會變得足夠標準化，從而實現自動化部署。機器人做到臨床任務自動化的最大挑戰是要能夠預測、檢測和響應所有可能的緊急情況
可植入的機器人能取代、恢複或增強相關生理過程，是一個新興領域，也是目前手術機器人領域麵臨的又一重大挑戰。為了推動這一領域的發展，必須提高機器人的生物相容性、可靠性、適應性、安全性和供電能力。為了維持長期的功能，充分的生物相容性是很重要的。此外，對於那些提供臨時生理支持的植入物，設計成可吸收的植入物可以避免移除裝置的手術需要。植入物的設計還必須能對變化的情況做出反應，比如運動。值得一提的是，雖然遠程編程提供軟件更新是有利的，但保障安全才是至關重要的，因此要防止一個人的器官被黑客攻擊。最後，由於與起搏器等設備相比，機器人設備的功率要求較高，因此較高的無線功率傳輸能力至關重要。
手術機器人另一個新興方向是微納機器人。相關研究人員已經創造了能夠在液體環境中移動的小型設備。雖然一些設備已經功能化，但這個領域仍然麵臨著許多重大挑戰，比如：生物可降解和非細胞毒性的微機器人的開發、能夠自我定向靶向的自主設備的開發、基於導管的微機器人在目標附近的傳遞、在體內對大量設備的跟蹤和控製等。

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