AI在機(jī)器人手術(shù)中的應(yīng)用

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2023-04-1708:44從地圖導(dǎo)航路徑選擇，到ChatGPT起草電子郵件，人工智能便利了人們的日常生活，降低了各類任務(wù)的難度。同樣，在醫(yī)療保健領(lǐng)域，人工智能也發(fā)揮著重要的作用。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，將人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)整合進(jìn)手術(shù)室，落實到醫(yī)療服務(wù)中，對于患者、醫(yī)生乃至醫(yī)院，都有很大的價值。

人工智能基于特定的算法，賦予計算機(jī)與人類思維相似的認(rèn)知功能（如解決問題、提出決策等）。在機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和自然語言處理（NLP）的進(jìn)步下，人工智能正在改變醫(yī)療保健行業(yè)。由于這項技術(shù)需要大量真實數(shù)據(jù)的支撐，因此人工智能在外科領(lǐng)域的發(fā)展并非一蹴而就。AI是對外科醫(yī)生技能的補(bǔ)充，而非替代。

盡管外科醫(yī)生、患者與計算機(jī)之間的關(guān)系和潛力還未得到充分的發(fā)掘，人工智能在外科手術(shù)中的應(yīng)用已經(jīng)為醫(yī)生和患者帶來了重大變化：機(jī)器人輔助手術(shù)中的術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中導(dǎo)航在計算機(jī)斷層掃描（CT）、超聲波和磁共振成像（MRI）的支持下持續(xù)進(jìn)步，而微創(chuàng)手術(shù)（MIS）與機(jī)器人輔助相結(jié)合，減少手術(shù)創(chuàng)傷，提升患者的康復(fù)速度。

一、人工智能在機(jī)器人手術(shù)中的優(yōu)勢

1.大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)能力外科醫(yī)生數(shù)十年間的不斷學(xué)習(xí)、練習(xí)和進(jìn)步造就了他們高超的技術(shù)，但其認(rèn)識和學(xué)習(xí)仍然存在局限性。人工智能系統(tǒng)能夠在短短的幾秒內(nèi)吸收海量的信息，卻無法擔(dān)任人類醫(yī)生在整個治療流程中的角色。手術(shù)機(jī)器人的開發(fā)通常以人工智能的“大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)”優(yōu)勢為核心，突出人工智能將信息和數(shù)據(jù)的潛在用途最大化的功能?；谌斯ぶ悄艿氖中g(shù)系統(tǒng)不受時間或記憶的限制，可以在幾秒鐘內(nèi)輸入成千上萬的手術(shù)記錄，并以同等的準(zhǔn)確度記住這些內(nèi)容。因此，機(jī)器人手術(shù)可以依靠人工智能吸收更多的數(shù)據(jù)，并作為外科醫(yī)生在其職業(yè)生涯各個階段的學(xué)習(xí)工具。從對醫(yī)生進(jìn)行不同手術(shù)方法的培訓(xùn)，到為發(fā)展中地區(qū)的外科醫(yī)生提供集中的學(xué)習(xí)機(jī)會，人工智能可以重塑醫(yī)生學(xué)習(xí)、實踐和完善其手術(shù)技能的方式。

2.識別新的趨勢人工智能為外科醫(yī)生提供了全新視角，為傳統(tǒng)手術(shù)引入了新的方法，并逐漸建立新的手術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過學(xué)習(xí)海量的手術(shù)數(shù)據(jù)，基于人工智能的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)能夠為外科醫(yī)生提供極具參考性的技術(shù)建議，為醫(yī)生和患者提供更好的手術(shù)體驗。人工智能引導(dǎo)的機(jī)器人手術(shù)逐漸在世界各地普及，力求實現(xiàn)手術(shù)的最佳效果。

3.緩解認(rèn)知壓力與身體壓力除了學(xué)習(xí)海量手術(shù)數(shù)據(jù)以提供手術(shù)建議之外，人工智能可以通過減輕外科醫(yī)生的壓力來提升機(jī)器人手術(shù)效果。通過突出顯示工具、操作監(jiān)控和警報功能，基于人工智能的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)能夠?qū)κ中g(shù)進(jìn)行指導(dǎo)，并使手術(shù)流程更加精簡。根據(jù)不同患者的需求，人工智能能夠繪制出最佳手術(shù)步驟，節(jié)省手術(shù)時間，減輕外科醫(yī)生的認(rèn)知壓力，使他們能夠以更高的水平進(jìn)行更大量的手術(shù)，以取得更好的結(jié)果。實際上，在航空領(lǐng)域，人工智能已經(jīng)體現(xiàn)了這方面的優(yōu)勢。AirspaceIntelligence的人工智能系統(tǒng)Flyways根據(jù)天氣預(yù)測、安全風(fēng)險、燃料效率等因素不斷優(yōu)化飛行路線，減輕了航空公司簽派員和飛行員的壓力，使他們不再需要臨時改變飛行路線。此外，人工智能規(guī)劃飛行路線能夠有效地減少飛行時間和燃料消耗，提升了飛行的安全性和效率。

▲AirspaceIntelligence的人工智能系統(tǒng)Flyways

此外，人工智能還能夠利用其數(shù)據(jù)庫中大量的“經(jīng)驗”為手術(shù)室提供更符合人體工程學(xué)的解決方案，以減輕外科醫(yī)生在手術(shù)中所承受的身體壓力。因此，人工智能和機(jī)器人手術(shù)平臺相互搭配，有利于外科醫(yī)生的身體健康，并延長他們的職業(yè)生涯。

4.重新定義外科護(hù)理現(xiàn)如今，仍然有全球三分之二的人口（約50億人）無法在最需要的時候獲得外科治療。然而，使用基于人工智能的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，有望縮小這一差距，使世界各地的患者都能夠獲得更好的外科護(hù)理。人工智能可以確保更多的醫(yī)生有機(jī)會學(xué)習(xí)到領(lǐng)域內(nèi)的前沿知識，從而擴(kuò)大專業(yè)機(jī)器人外科醫(yī)生的數(shù)量。無論他們身處何處，能獲得何種資源，外科醫(yī)生都可以學(xué)習(xí)和利用基于人工智能的手術(shù)機(jī)器人技術(shù)，以覆蓋更多的患者群體。此外，人工智能還可以幫助外科醫(yī)生擴(kuò)大專業(yè)范圍，學(xué)習(xí)并進(jìn)行更多種類的手術(shù)，擴(kuò)大其影響力。

二、人工智能在各個手術(shù)環(huán)節(jié)中的角色

1.

術(shù)前規(guī)劃術(shù)前規(guī)劃是外科醫(yī)生根據(jù)患者的病例和影像資料來制定手術(shù)計劃的階段。除了使用一般的圖像分析技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)之外，人工智能的深度學(xué)習(xí)也為這一環(huán)節(jié)做出了貢獻(xiàn)。如今，深度學(xué)習(xí)已被用于解剖學(xué)分類、檢測分割與圖像配準(zhǔn)。深度學(xué)習(xí)算法能夠從CT掃描中識別患者的異常情況，如小腿骨折、顱內(nèi)出血和腦中線偏移等問題，提升診斷的效率和及時性，展現(xiàn)了自動化分診的潛力。

深度學(xué)習(xí)的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）已被用于腎衰竭的實時預(yù)測、心臟手術(shù)后的死亡率以及術(shù)后出血的預(yù)測，比傳統(tǒng)的檢測方法效果更好。這些通過收集臨床數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)，無需人工參與，并能夠?qū)τ写祟惒l(fā)癥風(fēng)險的患者給予更及時的護(hù)理。

2.

術(shù)中引導(dǎo)計算機(jī)輔助的術(shù)中引導(dǎo)一直被認(rèn)為是微創(chuàng)手術(shù)的基礎(chǔ)。人工智能能夠?qū)W習(xí)手術(shù)策略，并將這些策略（如組織追蹤成像）應(yīng)用在微創(chuàng)手術(shù)中。對組織結(jié)構(gòu)變形的準(zhǔn)確追蹤在微創(chuàng)手術(shù)的術(shù)中引導(dǎo)和導(dǎo)航中至關(guān)重要。由于組織結(jié)構(gòu)的變化較為復(fù)雜，科學(xué)家們開發(fā)了一個基于算法的在線學(xué)習(xí)框架，以便在體內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確的軟組織追蹤。

3.

人工智能輔助機(jī)器人手術(shù)人工智能驅(qū)動的手術(shù)機(jī)器人能夠協(xié)助手術(shù)器械的操作和定位，使外科醫(yī)生更專注于其他復(fù)雜的手術(shù)操作，提升手術(shù)效果，進(jìn)而降低整個手術(shù)的成本。通過機(jī)器學(xué)習(xí)，手術(shù)機(jī)器人能夠瀏覽數(shù)以百萬計的數(shù)據(jù)集，總結(jié)出特定情況下的最佳手術(shù)策略。美國腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人公司AsensusSurgical旗下的績效引導(dǎo)手術(shù)（performance-guidedsurgery,PGS）在腹腔鏡檢查的基礎(chǔ)上，增加了機(jī)器視覺、增強(qiáng)智能和深度學(xué)習(xí)能力，通過向外科醫(yī)生反饋手術(shù)信息來指導(dǎo)與改進(jìn)決策，增強(qiáng)手術(shù)的可預(yù)測性。反之，人類外科醫(yī)生的操作也會被人工智能學(xué)習(xí)和吸收，優(yōu)化手術(shù)效果。

▲AsensusSurgical旗下Senhance手術(shù)機(jī)器人

從演示中學(xué)習(xí)（Learningfromdemonstration，LfD）是一種用于“訓(xùn)練”人工智能的方法，目的是使人工智能在已有的信息基礎(chǔ)上，形成獨立完成新任務(wù)的能力。在第一階段，LfD將一個復(fù)雜的外科任務(wù)分成幾個子任務(wù)和基本操作。在第二階段，手術(shù)機(jī)器人會識別、模擬并以順序模式執(zhí)行子任務(wù)，幫助人類外科醫(yī)生完成手術(shù)中重復(fù)性的操作。擴(kuò)大自主機(jī)器人在外科手術(shù)（尤其是微創(chuàng)手術(shù)中）中的應(yīng)用以及這些機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)種類是一項艱巨的工作。為解決此問題，約翰·霍普金斯大學(xué)（JHU）和直覺外科公司在IRB批準(zhǔn)的研究中，利用達(dá)芬奇手術(shù)人系統(tǒng)合作收集了來自8名掌握不同技能的外科手術(shù)醫(yī)生的手術(shù)數(shù)據(jù)，并建立了第一個公共的基準(zhǔn)手術(shù)數(shù)據(jù)集——JHU-ISI手勢和技能評估工作集（JIGSAWS,JHU-ISIGestureandSkillAssessmentWorkingSet），一個用于人體運(yùn)動建模的外科活動數(shù)據(jù)集。

▲JHU-ISI手勢和技能評估工作集

在數(shù)據(jù)收集的過程中，運(yùn)動學(xué)和三維動作被捕獲，接著AI對其進(jìn)行分析——識別縫合、傳針和打結(jié)動作，準(zhǔn)確率約為80%，這證明AI在預(yù)測不同外科醫(yī)生的手勢活動方面還有很大的提升空間。

除此之外，在許多外科任務(wù)中，強(qiáng)化學(xué)習(xí)（reinforcementlearning,RL）也是一種經(jīng)常使用的機(jī)器學(xué)習(xí)范式，用于執(zhí)行手術(shù)中的“子任務(wù)”（如插管和軟組織操作等）。這些任務(wù)很難形成精確的分析模型，因此，強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法基于“從演示中學(xué)習(xí)”的策略，而非從零學(xué)習(xí)，以減少了機(jī)器學(xué)習(xí)過程所需的時間。

三、人工智能輔助機(jī)器人手術(shù)案例

1.

非接觸式人機(jī)互動輔助手術(shù)人機(jī)互動使人類外科醫(yī)生能夠以無接觸的方式來操作手術(shù)機(jī)器人。這種操作可以通過頭部或手部運(yùn)動、語言和語音識別、或外科醫(yī)生的視線來實現(xiàn)。

▲FAceMOUSe:Anovelhuman-machineinterfaceforcontrollingthepositionofalaparoscope

目前，外科醫(yī)生的頭部運(yùn)動已被用于遠(yuǎn)程控制機(jī)器人腹腔鏡：FAceMOUSe是一個用于實時監(jiān)測外科醫(yī)生面部動作且不需要任何身體接觸的人機(jī)互動裝置。腹腔鏡的運(yùn)動由外科醫(yī)生的面部活動簡單而準(zhǔn)確地控制，為各種外科手術(shù)提供了無需肢體接觸和語言交流的人機(jī)協(xié)作方式。

2.

人工智能驅(qū)動手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行血管縫合

▲荷蘭馬斯特里赫特大學(xué)醫(yī)療中心2017年，荷蘭的馬斯特里赫特大學(xué)醫(yī)療中心（MaastrichtUniversityMedicalCenter）在一次顯微外科手術(shù)干預(yù)中使用了人工智能驅(qū)動的機(jī)器人，手術(shù)機(jī)器人縫合了一個受淋巴水腫影響的患者在0.03-0.08毫米之間的血管。這種慢性病通常是在治療乳腺癌期間出現(xiàn)的副作用，積聚的液體導(dǎo)致腫脹。

▲Microsure手術(shù)機(jī)器人手術(shù)中使用的機(jī)器人由Microsure公司創(chuàng)造，由一名人類外科醫(yī)生操縱。他的手部動作在“機(jī)器手”的輔助下得到了簡化，后者能夠進(jìn)行更小、更精確的手術(shù)操作。此外，手術(shù)機(jī)器人還被用來修復(fù)外科醫(yī)生動作中的顫抖，確保人工智能驅(qū)動的機(jī)器人正確地進(jìn)行手術(shù)。

3.

人工智能算法輔助機(jī)器人植發(fā)手術(shù)

▲ARTAS植發(fā)機(jī)器人在機(jī)器人植發(fā)手術(shù)中，手術(shù)機(jī)器人能夠在人工智能算法的幫助下，采集毛囊并將其移植到頭皮的精確區(qū)域。在這樣的機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)中，不再需要手術(shù)切除供體區(qū)域，也不需要植發(fā)醫(yī)生在長達(dá)幾小時的手術(shù)中一次次手動提取毛囊。

四、結(jié)語

醫(yī)學(xué)與科技的結(jié)合，使患者在護(hù)理各個階段的數(shù)據(jù)和治療方式得以作為一種極具價值的臨床信息被捕捉和記錄，進(jìn)一步推動技術(shù)的進(jìn)步，形成良性循環(huán)。同時，人工智能進(jìn)入手術(shù)室也有望改變外科教學(xué)和實踐的方式。將人機(jī)互動融入機(jī)器人手術(shù)，意味著機(jī)器人不再是簡單的人工智能驅(qū)動設(shè)備，為此，這類新型器械的審批也需要監(jiān)管機(jī)構(gòu)的格外關(guān)注。人工智能與機(jī)器人手術(shù)相輔相成，二者的結(jié)合對改善外科醫(yī)生和患者的治療體