近幾年，醫(yī)療市場對于手術(shù)機器人的需求持續(xù)增長，國內(nèi)外多家巨頭企業(yè)紛紛布局手術(shù)機器人市場，達(dá)芬奇手術(shù)機器人原一家獨大的壟斷局面逐步被打破。在資本的推動下，手術(shù)機器人在技術(shù)上不斷取得新的進展，胸腔和腹腔鏡手術(shù)機器人技術(shù)逐步成熟。

腔鏡手術(shù)機器人被譽為“醫(yī)療器械領(lǐng)域的航空母艦”，是目前手術(shù)機器人領(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)組織的進入和可見度有限，加上呼吸運動造成的偽影干擾，手術(shù)難度極大。

近日，來自約翰·霍普金斯大學(xué)的一個研究團隊設(shè)計出一款智能組織自主機器人 STAR，該機器人在沒有人類指導(dǎo)的情況下，成功完成對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。該研究實現(xiàn)了使用智能組織自主機器人（STAR）執(zhí)行機器人腹腔鏡小腸吻合術(shù)所需的增強自主性，并且能夠在腹腔鏡下實施增強的全吻合自主操作，標(biāo)志著機器人技術(shù)向人類全自動手術(shù)邁出的重要一步。

圖| 機器人在沒有人類幫助的情況下對豬的軟組織進行了腹腔鏡手術(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)之一實現(xiàn)自動化——重新連接腸道的兩端。 STAR 在四只動物身上進行了手術(shù)，明顯比醫(yī)生進行同樣的手術(shù)效果要好?！?/strong>

首個在軟組織中完成吻合術(shù)的自主手術(shù)機器人

外科手術(shù)機器人的發(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)機器人，由外科醫(yī)生控制機器人輔助進行手術(shù)，系統(tǒng)雖具有極高的精準(zhǔn)性，但在實現(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)機器人具備準(zhǔn)確可靠的成像系統(tǒng)，從而檢測和跟蹤目標(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，對機器人系統(tǒng)要求較高。腹腔鏡手術(shù)就是一個典型的應(yīng)用場景，由于目標(biāo)組織的進入和可見度有限，加上呼吸運動造成的偽影干擾，導(dǎo)致手術(shù)難度極大。

在外科手術(shù)中，吻合術(shù)恰好是考察自主機器人手術(shù)系統(tǒng)進行軟組織手術(shù)的一個合適場景。該手術(shù)的目的是將軟組織的兩個斷端接起來，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)機器人已取得明顯進步，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，對醫(yī)生的依賴性較高。在該研究中，Axel Krieger 等人設(shè)計了一款面向腹腔鏡手術(shù)場景的增強型自主 STAR 系統(tǒng)，并配備了專門的縫合工具和最先進的成像系統(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和終點，在手術(shù)過程中對血液和薄組織的閉塞具有較強的魯棒性，系統(tǒng)的自主性和手術(shù)精度得以增強。

圖 | 加強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)療機器人手臂、驅(qū)動的手術(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腸道進行縫合，即使是手術(shù)中最輕微的手部顫抖或錯位的縫線，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 STAR ，系統(tǒng)自主生成縫合算法并實施縫合任務(wù)。在縫合過程中，操作員會在 STAR 執(zhí)行縫線計劃之前通過 GUI 對縫合步驟進行微調(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動會導(dǎo)致手術(shù)目標(biāo)組織的運動，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)和近紅外攝像機反饋的機器學(xué)習(xí)算法，來跟蹤手術(shù)期間目標(biāo)組織的運動。

Krieger 說：“軟組織手術(shù)對機器人來說尤其困難，因為它的不可預(yù)測性迫使它們能夠快速適應(yīng)以應(yīng)對意外的障礙。STAR 是一個新穎的控制系統(tǒng)，可以像外科醫(yī)生一樣實時調(diào)整手術(shù)計劃。STAR 的特別之處在于，它是首個在軟組織中自主規(guī)劃、調(diào)整和執(zhí)行手術(shù)計劃的機器人系統(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

為檢測手術(shù)效果，研究人員對小豬進行了為期 1 周的術(shù)后存活期監(jiān)測，并進行了有限的尸檢。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)實驗結(jié)果（A：用 STAR（n = 4）和手動腹腔鏡對照試驗（n = 1）操作的每個吻合口組織的代表性組織學(xué)例子；B) PMN 細(xì)胞作為每個樣本的炎癥的代用指；C：尸檢時收集的吻合口的代表例子，用于 STAR 和對照測試。）

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

研究人員表示，在未來的研究中，將集成和測試無標(biāo)記組織跟蹤技術(shù)，將相機系統(tǒng)簡化為內(nèi)窺鏡，并增加觸覺傳感器，進一步提高系統(tǒng)的自主性，加快機器人完成手術(shù)的時間。

盡管在復(fù)雜和不可預(yù)測的手術(shù)場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)驗和能力上的個體差異導(dǎo)致的手術(shù)風(fēng)險，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，擁有一個為此類手術(shù)設(shè)計的自動化機器人系統(tǒng)顯得非常重要?！皺C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)致患者護理的民主化手術(shù)方法具有更高的可預(yù)測和一致性?！?/p>

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 “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。