外科醫(yī)生一個亟需提升的實(shí)驗(yàn)機(jī)器人

外科醫(yī)生一個亟需提升的實(shí)驗(yàn)機(jī)器人

未來，外科醫(yī)院將通過精確、靈活的手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行繼承。在病人被打開的血肉模糊的腹腔內(nèi),外科醫(yī)生邁克爾·斯蒂菲爾曼(MichaelStifelman)正在精心控制兩個機(jī)械手臂給一根手術(shù)縫線打結(jié)。接著他又操縱著第三個機(jī)器人手臂驅(qū)動縫合針刺入病人腎臟的肌肉層,將原先腫瘤所在位置留下的切口縫合起來。最后一個機(jī)械臂負(fù)責(zé)手持內(nèi)窺鏡,將視覺信息源源不斷地傳送到斯蒂菲爾德的顯示屏上,每個機(jī)器人手臂都可以通過大約只有5毫米寬的小切口進(jìn)入患者體內(nèi)。觀看這個復(fù)雜而精細(xì)的手術(shù)過程,人們不由會驚嘆,當(dāng)機(jī)器人與人類協(xié)同工作時會創(chuàng)造什么樣的奇跡。斯蒂菲爾曼是紐約大學(xué)朗格尼機(jī)器人手術(shù)中心主任,通過完美控制機(jī)器人手臂的動作,他已經(jīng)和機(jī)器人合作做了幾千例這樣的手術(shù)。只要轉(zhuǎn)動手腕或捏緊手指,伸入病人體內(nèi)的機(jī)械臂就會忠實(shí)地執(zhí)行與他一模一樣的動作,但動作的幅度比他要小。“這個機(jī)器人已成為我的助手?！彼沟俜茽柭跈C(jī)械臂打緊一個手術(shù)縫合線結(jié)頭的時候說道。機(jī)器人外科醫(yī)生但是這樣的場景如果看在一些機(jī)器人專家的眼里,機(jī)器人靈巧的性能不再是一個現(xiàn)代奇跡,而是對機(jī)器人潛力的一種浪費(fèi)。畢竟,斯蒂菲爾德是一位訓(xùn)練有素的醫(yī)學(xué)專家,擁有精湛的外科手術(shù)技術(shù)和精準(zhǔn)的判斷能力,然而他卻要花費(fèi)寶貴的時間進(jìn)行手術(shù)縫合和手術(shù)后的一些處理。如果讓機(jī)器人自行處理這類單調(diào)乏味的任務(wù),就可以讓外科醫(yī)生從繁重的日常手術(shù)中騰出時間來,去做更多重要的有意義的工作。今天的手術(shù)機(jī)器人是外科醫(yī)生能力的擴(kuò)展,手術(shù)機(jī)器人在手術(shù)中不會發(fā)生因長時間手術(shù)而手會顫抖等現(xiàn)象,并且能夠完成最好的外科醫(yī)生也感到棘手的一些手術(shù),如以典型的長柄工具進(jìn)行的腹腔鏡手術(shù),但這些機(jī)器人充其量只是由人類直接控制的更高級的工具而已。許多人認(rèn)為,如果機(jī)器人發(fā)展為能夠做決定并獨(dú)立完成分派給他們?nèi)蝿?wù)的自主機(jī)器人,將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)更好地為人類服務(wù),手術(shù)機(jī)器人公司泰坦醫(yī)療執(zhí)行副總裁丹尼斯·福勒(DennisFowler)是持這一觀點(diǎn)的人之一,“這將成為提高外科手術(shù)可靠性、減少人為錯誤的一種技術(shù)干預(yù)措施?！备＠照f道。在從事實(shí)業(yè)之前,福勒曾做過32年的外科醫(yī)生。提升機(jī)器人的“工作能力”并非遙不可及,所涉及的大部分技術(shù)在一些學(xué)術(shù)和工業(yè)實(shí)驗(yàn)室都處于快速開發(fā)之中。實(shí)驗(yàn)機(jī)器人可通過人體組織的橡膠模型練習(xí)縫合、清創(chuàng)、切除腫瘤等手術(shù)動作。在一些機(jī)器人與人類“競賽”的實(shí)驗(yàn)中,機(jī)器人做手術(shù)比人類外科醫(yī)生更精確、更高效。就在不久前,華盛頓一家醫(yī)院在縫合豬小腸真實(shí)組織的演示中,機(jī)器人系統(tǒng)也表現(xiàn)出同樣的優(yōu)勢。研究人員對自主機(jī)器人和人類外科醫(yī)生的手術(shù)結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn):在同樣的手術(shù)中,機(jī)器人縫合得更均勻、更嚴(yán)實(shí)。雖然這些機(jī)器人系統(tǒng)還沒有做好為人類患者做手術(shù)的準(zhǔn)備,但卻代表了外科手術(shù)的發(fā)展方向。這也許是一個敏感話題,意味著未來外科醫(yī)生有可能會失業(yè)。這樣的邏輯推斷曾被用于生產(chǎn)裝配線,如今也被用于機(jī)器人接管手術(shù)室,如果增加機(jī)器人的自主性可提高生產(chǎn)效率,沒有人會阻止這種趨勢;如果增加手術(shù)機(jī)器人的自主性可提高手術(shù)精準(zhǔn)度和成功率,我們又何樂而不為呢?倫敦帝國理工學(xué)院講師、外科醫(yī)生胡坦·阿什拉斐恩(HutanAshrafian)對機(jī)器人外科手術(shù)頗有研究,并經(jīng)常撰文評價人工智能在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿?。他認(rèn)為自主手術(shù)機(jī)器人是一個“不可阻擋”的趨勢。阿什拉斐恩預(yù)測,在可預(yù)見的未來,手術(shù)機(jī)器人可以在外科醫(yī)生的指令下執(zhí)行一些簡單的任務(wù)?！拔覀兊哪繕?biāo)是提高手術(shù)成功率,如果使用機(jī)器人意味著可以拯救更多生命、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn),那么我們就要義無反顧地利用它們?！彼f。展望未來,阿什拉斐恩說道,醫(yī)學(xué)界采用具有人工智能、能自主做決定的下一代手術(shù)機(jī)器人是完全可能的,這樣的機(jī)器人不僅可以處理常規(guī)任務(wù),還可以接管整個手術(shù)。雖然目前看來還不太現(xiàn)實(shí),但技術(shù)創(chuàng)新之路最終會引導(dǎo)我們走向那一步?！拔覀冊谘驖u進(jìn)地前行,盡管每一次邁出的步子都不大。我現(xiàn)在的手術(shù)室模樣,是50年前的外科醫(yī)生根本想象不出的?？梢灶A(yù)計(jì),從現(xiàn)在起50年后的外科手術(shù)也將會是一個完全不同的世界?！彼f。手術(shù)機(jī)器人面臨多種挑戰(zhàn)手術(shù)機(jī)器人自己做決定,獨(dú)立做手術(shù)的例子也許比我們想象中的要多。例如,在視力矯正手術(shù)中,機(jī)器人系統(tǒng)可切下病人的一小片角膜,然后發(fā)出一系列激光脈沖重塑其內(nèi)層;在膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中,自主機(jī)器切開骨骼的精確程度要遠(yuǎn)勝于人類外科醫(yī)生;在頭發(fā)移植手術(shù)中,智能機(jī)器人能夠識別并采集病人頭部健壯的毛囊,然后精確地在頭皮上需要植發(fā)的地方鉆出一些小孔,為人類外科醫(yī)生節(jié)省了大量重復(fù)勞動的時間。那些涉及胸部、腹部和骨盆部位軟組織的手術(shù)要面臨更復(fù)雜的挑戰(zhàn)。每個病人在解剖學(xué)上的結(jié)構(gòu)都會稍有不同,因此自主機(jī)器人必須善于辨別濕軟的內(nèi)部器官和彎彎曲曲的血管。更重要的是,在手術(shù)過程中,病人的內(nèi)臟也有可能發(fā)生移位,因此機(jī)器人還必須要不斷地調(diào)整修改其手術(shù)計(jì)劃。機(jī)器人還必須要有處理危機(jī)的可靠能力。讓我們再回到紐約大學(xué)手術(shù)中心的機(jī)器人手術(shù)演示中,在切除腫瘤的過程中,斯蒂菲爾曼松開動脈止血鉗察看情況,“我們要確定不會出現(xiàn)大出血。”他用內(nèi)窺鏡在手術(shù)后的腎臟周圍觀察著。大多數(shù)切口縫合得都非常完美,但突然屏幕上噴涌出汩汩的鮮紅色液體,“看到了嗎?這里需要再縫合一下?！彼o助手下了指令。切口被迅速縫好,血被止住。斯蒂菲爾德繼續(xù)手術(shù)后的常規(guī)清理工作。對于斯蒂菲爾德來說,這只是他日常工作的一部分。但機(jī)器人外科醫(yī)生將會如何處理這種意外突發(fā)事件呢?首先,計(jì)算機(jī)成像和視覺系統(tǒng)需要能識別這種突然噴出的紅色液體意味著出現(xiàn)了極為嚴(yán)重的問題,下一步通過其決策軟件確定了盡快縫合傷口這一最佳方案,然后機(jī)器人將決定付諸行動,操縱縫合針和縫合線將傷口縫合起來。最后,評估程序?qū)μ幚斫Y(jié)果進(jìn)行評估,確定是否還要采取進(jìn)一步的行動。讓機(jī)器人掌握這每一個步驟:感知問題、做出決策、采取行動、對處理結(jié)果進(jìn)行評估,每一步對于機(jī)器人設(shè)計(jì)工程師都是巨大的挑戰(zhàn)。有學(xué)習(xí)能力的機(jī)器人在哈肯薩克大學(xué)醫(yī)學(xué)中心,斯蒂菲爾曼在他的機(jī)器人助手達(dá)·芬奇的協(xié)助下進(jìn)行手術(shù)。加州森尼維爾市“直覺手術(shù)機(jī)器人公司”的這臺機(jī)器人成本高達(dá)250萬美元,是唯一獲得美國監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)的軟組織手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。世界各地有3600多家醫(yī)院安裝了達(dá)·芬奇機(jī)器人系統(tǒng),在全球外科手術(shù)機(jī)器人市場上獨(dú)占鰲頭。但其商業(yè)上的成功并非一帆風(fēng)順,機(jī)器人在手術(shù)臺上的失誤和事故也引發(fā)了多次訴訟事件。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),此類事故之前顯然被低估了。由機(jī)器人外科醫(yī)生做腹腔鏡手術(shù)是否強(qiáng)于人類醫(yī)生,在外科醫(yī)生中也引發(fā)了爭論,但盡管有這樣那樣的爭議,許多醫(yī)院都接受了直覺手術(shù)公司的這項(xiàng)技術(shù),許多病人也在爭取讓機(jī)器人為他們做手術(shù)。達(dá)·芬奇機(jī)器人的手術(shù)過程是在完全控制之下的,沒有人類醫(yī)生的操縱,機(jī)器人手臂只是呆滯不動的塑料和金屬碎片而已,只有當(dāng)醫(yī)生在控制臺上操縱時,它才會動起來。直覺手術(shù)機(jī)器人公司表示,目前將繼續(xù)保持這樣的狀態(tài),負(fù)責(zé)先進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)的西蒙·迪邁奧(SimonDiMaio)說道,機(jī)器人專家正在朝著更高的目標(biāo)努力,未來人類外科醫(yī)生在手術(shù)中將得到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更高層次的協(xié)助或引導(dǎo)。迪邁奧以早期自動駕駛汽車的開發(fā)過程比擬這一領(lǐng)域的研究,“第一步是要能識別道路標(biāo)志、障礙物、汽車和行人?！彼f。下一步是讓智能汽車通過對周圍環(huán)境的識別為人類司機(jī)提供幫助。比如,智能汽車通過感知周圍車輛的位置,在司機(jī)考慮不周想要變道時發(fā)出警告,手術(shù)機(jī)器人同樣可以在醫(yī)生的手術(shù)器具偏離常規(guī)時發(fā)出警示。加州大學(xué)伯克利分?？稀じ甑虏?KenGoldberg)的實(shí)驗(yàn)室里,一臺手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)可以靈活熟練地縫合創(chuàng)口,但還不會打結(jié)。在一塊模擬肌肉上,一個機(jī)械人手臂將彎曲的縫合針穿過模擬傷口的兩片邊緣,第二個抓取器在另一頭抓住縫針,將縫線收緊,然后自主機(jī)器人將針移回來,開始下一針。沒有人類的手引導(dǎo)機(jī)器人手臂的活動,也沒有人類大腦來指導(dǎo)機(jī)器人的這一系列的動作過程。作為伯克利實(shí)驗(yàn)室自動化科學(xué)與工程的負(fù)責(zé)人以及包括電氣工程和藝術(shù)在內(nèi)四個專業(yè)的教授,戈德伯格在機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)已取得驚人的成就。墻上懸掛著的他自己的畫像,就是他創(chuàng)造的早期機(jī)器人的“美術(shù)作品”之一。他實(shí)驗(yàn)室里被縫合的“肌肉”只是粉紅色的橡皮,但卻將發(fā)展成為一項(xiàng)真正了不起的技術(shù)。2013年,直覺手術(shù)機(jī)器人公司開始向世界各地的大學(xué)捐贈達(dá)·芬奇機(jī)器人系統(tǒng)。當(dāng)戈德伯格教他的達(dá)芬奇如何獨(dú)立執(zhí)行手術(shù)任務(wù)時,從理論上來說,相同的程序可讓商業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)給真正的病人動手術(shù)。“我們目前只是在測試車道上駕駛,”戈德伯格說道,“但是有一天我們將能夠真正上路。”他相信在未來10年里將能夠?qū)崿F(xiàn)簡單手術(shù)任務(wù)的自動化。在執(zhí)行自動縫合任務(wù)中,戈德伯格的達(dá)·芬奇機(jī)器人每一針都會計(jì)算好最佳入口點(diǎn)與出口點(diǎn),計(jì)劃好運(yùn)針的軌跡,并通過定位傳感器和攝像裝置跟蹤縫針的動作,明黃色的縫針讓計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)可輕易識別。盡管如此,對于機(jī)器人來說,完成這個任務(wù)仍然是一個艱難的挑戰(zhàn)。戈德伯格發(fā)表的研究結(jié)果報(bào)告稱,機(jī)器人只能完成四針程序的50%,大多數(shù)失誤通常是因?yàn)榈诙€抓取器未能及時抓住縫針,或者是縫針被縫合線纏住。戈德伯格教授想要人們清楚這一點(diǎn),即使機(jī)器人已經(jīng)非常擅長并能熟練完成常規(guī)手術(shù)任務(wù),他仍希望有人類外科醫(yī)生在一旁對機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)管。戈德伯格設(shè)想的是一種“有監(jiān)督的自主權(quán)”,即仍然要在人類外科醫(yī)生的掌管之下?！耙恍┹^低層次的操作可由機(jī)器人來處理,重復(fù)工作中的精度和均勻性是機(jī)器人的優(yōu)勢。”他說。他相信,未來機(jī)器與人的合作將造就“超級外科醫(yī)生”。戈德伯格預(yù)測,外科手術(shù)機(jī)器人將很快得到完善并投入臨床使用,因?yàn)樗鼈円呀?jīng)開始了自主學(xué)習(xí)。他的研究小組在“通過演示學(xué)習(xí)新能力”的最新實(shí)驗(yàn)中,八名不同技能水平的外科醫(yī)生利用機(jī)械臂執(zhí)行四針縫合任務(wù),達(dá)·芬奇機(jī)器人記錄數(shù)據(jù),機(jī)器學(xué)習(xí)算法獲取視覺和運(yùn)動數(shù)據(jù),將縫合過程中的每一針都分為按順序處理的幾個步驟(針的定位、針的推進(jìn)等),達(dá)·芬奇機(jī)器人有可能通過這種方法學(xué)會做任何外科手術(shù)。戈德伯格認(rèn)為通過示范學(xué)習(xí)新的技能是唯一有效的方法?！拔覀冋J(rèn)為機(jī)器人學(xué)習(xí)是如今最有趣的領(lǐng)域。”他說。當(dāng)然,大量復(fù)雜的任務(wù)需要機(jī)器人通過成千上萬次的數(shù)據(jù)分析才能掌握。戈德伯格指出,每年外科醫(yī)生與達(dá)·芬奇合作的外科手術(shù)達(dá)50萬個以上,可以給機(jī)器人提供足夠多的數(shù)據(jù)。如果說外科醫(yī)生可以共享所有這些手術(shù)的數(shù)據(jù),那么人工智能又能從中學(xué)到些什么呢?每次外科醫(yī)生使用輔助機(jī)器人成功縫合腎臟的傷口,人工智能就可以加深對這一手術(shù)過程的理解。“系統(tǒng)可以提取數(shù)據(jù),改進(jìn)算法,對工作任務(wù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整?！备甑虏裾f道,“我們和機(jī)器人一起進(jìn)步,大家都變得更聰明?！睂⑹中g(shù)刀交給機(jī)器人手術(shù)室里的自動化并不只是涉及縫針、手術(shù)刀以及其他危險(xiǎn)的器具。有兩家公司如今正準(zhǔn)備推向市場的手術(shù)機(jī)器人開發(fā)的自動攝像裝置,可給外科醫(yī)生提供他們所想要的任何視景,就好像提取大腦里的信息一樣方便。目前外科醫(yī)生使用的直覺手術(shù)機(jī)器人公司的達(dá)·芬奇機(jī)器人必須停止正在做的事情,才能夠移動攝像機(jī)對準(zhǔn)醫(yī)生所想要觀察的部位。北卡羅來納州莫里斯維爾市的TransEnterix公司開發(fā)的比達(dá)·芬奇機(jī)器人更先進(jìn)的Alf-X手術(shù)系統(tǒng)目前已在歐洲投入使用。該系統(tǒng)包括一個視線跟蹤器,可讓外科醫(yī)生通過觀察儀控制內(nèi)窺鏡的移動。這個跟蹤器實(shí)際上是一個薄型的光纖攝像機(jī),可蜿蜒進(jìn)入病人的體內(nèi)。當(dāng)外科醫(yī)生在視圖屏幕上掃視時,Alf-X配合移動攝像機(jī),讓外科醫(yī)生可以看到框架中心的興趣點(diǎn)?！巴饪漆t(yī)生的眼睛成為了電腦鼠標(biāo)?！盩ransEnterix公司首席技術(shù)官安東尼·費(fèi)爾南多(AnthonyFernando)解釋道。多倫多泰坦醫(yī)療公司的運(yùn)動型外科手術(shù)系統(tǒng)采用了不同的自動成像技術(shù),該系統(tǒng)將微型機(jī)器人攝像機(jī)插入體腔,根據(jù)外科醫(yī)生使用工具的位置不斷旋轉(zhuǎn)和定位。這種類型的自動化技術(shù)的出現(xiàn)意味著機(jī)器人手術(shù)已走出了重要的第一步,福勒說道。公司申請獲準(zhǔn)今年在歐洲市場推出這項(xiàng)技術(shù),明年在美國推出。福勒認(rèn)為這個機(jī)器人攝像系統(tǒng)不會有什么問題?！叭绻f自動化意味著是用計(jì)算機(jī)來控制實(shí)施手術(shù)切割的工具,我們預(yù)計(jì)它還將需要更多額外的測試。”他說。直覺手術(shù)機(jī)器人公司將很快面臨大的競爭對手。美敦力公司,世界上最大的醫(yī)療器械公司,正在研發(fā)一種外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng),但對于具體內(nèi)情不予置評。同樣,谷歌與強(qiáng)生公司于去年聯(lián)合創(chuàng)辦了名為VerbSurgical的手術(shù)機(jī)器人公司,這家公司正在研發(fā)一種名為“先進(jìn)機(jī)器人能力”的系統(tǒng),該公司在一次新聞發(fā)布會上說道。根據(jù)這些動向,分析師預(yù)測機(jī)器人市場將出現(xiàn)新的繁榮景象。最近一份報(bào)告稱,全球腹部手術(shù)機(jī)器人市場(達(dá)·芬奇機(jī)器人及其競爭對手這一類別的機(jī)器人)將從2014年的22億美元增加到2021年的105億美元。如果機(jī)器人外科醫(yī)生普遍出現(xiàn)在手術(shù)室里,我們信任它們?yōu)椴∪俗龈鼜?fù)雜的手術(shù)似乎也是順理成章的了。如果機(jī)器人證明它們是可靠的,是可以信任的,人類外科醫(yī)生的角色將可能會發(fā)生戲劇性的變化。也許有一天,外科醫(yī)生給病人看病會輕松得多,他們只需要為病人診斷病情,決定治療方案,然后監(jiān)督機(jī)器人執(zhí)行命令就可以了。倫敦肥胖癥外科手術(shù)醫(yī)生阿什拉斐恩對人工智能很感興趣,他認(rèn)為外科醫(yī)生會欣然接受這種改變?？v觀醫(yī)學(xué)史,外科醫(yī)生們一直“癡迷于提高他們的手術(shù)水平”。為此,他們愿意接受任何證明有用的新工具?！皼]有人只憑一把手術(shù)刀就可以做手術(shù)?！卑⑹怖扯髡f道。如果自主機(jī)器人的能力足以完成手術(shù)任務(wù),這一原則也將繼續(xù)適用。為追求完美,外科醫(yī)生愿意最終將動手術(shù)的“權(quán)利”從自己手中交到機(jī)器人手中。機(jī)器人外科醫(yī)生能夠自主做決定并獨(dú)立做手術(shù)的智能外科系統(tǒng)已被