手術(shù)機(jī)器人被認(rèn)為是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)“皇冠上的明珠”，它能在手術(shù)過(guò)程中輔助醫(yī)生精準(zhǔn)操作，減少創(chuàng)口面積，提高了手術(shù)中的精準(zhǔn)性與安全性。如今，手術(shù)機(jī)器人已作為醫(yī)生的“輔助工具”完成了數(shù)百萬(wàn)次微創(chuàng)手術(shù)。那么，手術(shù)機(jī)器人能否“脫離”醫(yī)生的控制，自主完成手術(shù)任務(wù)呢？
近日，香港中文大學(xué)（簡(jiǎn)稱“港中文”）發(fā)布消息稱，由該校工程學(xué)院與醫(yī)學(xué)院組成的多學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)，成功研發(fā)出基于人工智能（AI）驅(qū)動(dòng)的手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)，并將該技術(shù)集成于國(guó)產(chǎn)機(jī)器人中，成功在活體豬模型上實(shí)現(xiàn)了組織牽拉、紗布抓取、血管夾閉等多項(xiàng)自主手術(shù)操作。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)刊物《科學(xué)·機(jī)器人》。
據(jù)介紹，這是全球首例多功能手術(shù)自動(dòng)化的活體動(dòng)物驗(yàn)證，為自動(dòng)化手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展帶來(lái)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的純視覺(jué)解決方案。
研究人員正在使用手術(shù)機(jī)器人開展手術(shù)任務(wù)自動(dòng)化的活體動(dòng)物驗(yàn)證。研究團(tuán)隊(duì)供圖
給手術(shù)機(jī)器人裝一雙“慧眼”
當(dāng)前，外科手術(shù)中的機(jī)器人仍需要醫(yī)生操控完成。以腔鏡手術(shù)為例，醫(yī)生坐在控制臺(tái)上，除了一只機(jī)械臂放置內(nèi)窺鏡之外，醫(yī)生需要用兩只手操控三只機(jī)械臂，通過(guò)腳下按鍵頻繁切換控制。
而自動(dòng)化手術(shù)機(jī)器人往往需要依賴于額外的傳感器輸入，或基于人工預(yù)定義的規(guī)則和模型，大大限制了其臨床應(yīng)用的價(jià)值。
在該項(xiàng)研究中，港中文團(tuán)隊(duì)利用人工智能技術(shù)，研發(fā)出了手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)化的具身智能技術(shù)框架，該框架整合了機(jī)器視覺(jué)模型、強(qiáng)化學(xué)習(xí)和視覺(jué)伺服控制技術(shù)，無(wú)需額外的傳感器，就能實(shí)時(shí)分析內(nèi)窺鏡圖像，確保手術(shù)任務(wù)能夠精準(zhǔn)、高效安全地自主操控。其中，基于基礎(chǔ)模型的視覺(jué)感知系統(tǒng)能準(zhǔn)確地對(duì)各種手術(shù)場(chǎng)景進(jìn)行理解和深度估計(jì)
論文通訊作者、港中文計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)系助理教授竇琪介紹，相比起現(xiàn)有的自動(dòng)化手術(shù)機(jī)器人，研究團(tuán)隊(duì)主要采用具身智能的技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)化，存在兩個(gè)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：一是臨床可用性。相比起以往采用的額外傳感器的復(fù)雜方法，我們采用了純視覺(jué)技術(shù)方案，依靠標(biāo)準(zhǔn)的雙目視頻就能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確理解手術(shù)場(chǎng)景，為自動(dòng)化手術(shù)機(jī)器人裝上一雙“慧眼”，在臨床上更易使用；二是通用性。以往基于模型驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化方法，針對(duì)特定動(dòng)作建模后難以遷移，研究團(tuán)隊(duì)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的交互式學(xué)習(xí)方式，通過(guò)矩陣實(shí)現(xiàn)通用性，能適配不同的手術(shù)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)不同的手術(shù)任務(wù)。
本次研究中，科研團(tuán)隊(duì)將該技術(shù)集成至合作企業(yè)康諾思騰腔鏡手術(shù)機(jī)器人中，并在港中文醫(yī)療機(jī)械人創(chuàng)新技術(shù)中心開展活體豬的多功能手術(shù)自動(dòng)化驗(yàn)證，集成的腔鏡手術(shù)機(jī)器人成功完成了血管夾閉、組織牽拉、紗布抓取等多項(xiàng)自主手術(shù)操作，進(jìn)一步推動(dòng)了自助手術(shù)從概念向臨床邁進(jìn)。
多學(xué)科合作，打破知識(shí)壁壘
2020年，在英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)結(jié)束博士后工作后，竇琪回到母校香港中文大學(xué)，開始獨(dú)立建立實(shí)驗(yàn)室，圍繞手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)化領(lǐng)域開展研究。
那時(shí)，人工智能和手術(shù)機(jī)器人兩個(gè)研究領(lǐng)域可以說(shuō)是“各自為營(yíng)”，學(xué)科交叉并不明顯。“開展這項(xiàng)研究時(shí)，我們沒(méi)有太多可以供參考的案例，幾乎是從零開始。”竇琪回憶道，隨著AI技術(shù)浪潮的到來(lái)以及機(jī)器人具身智能概念的提出，研究團(tuán)隊(duì)開始嘗試運(yùn)用交互學(xué)習(xí)開發(fā)手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)，然而通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，并沒(méi)有能夠適配AI技術(shù)的手術(shù)機(jī)器人模擬器，學(xué)科交叉的壁壘為研究帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。
為此，竇琪帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了手術(shù)機(jī)器人的具身智能數(shù)字孿生平臺(tái)SurRol，手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)在這個(gè)模擬器上完成訓(xùn)練后，便能夠直接將技術(shù)遷移到現(xiàn)實(shí)生活中的手術(shù)機(jī)器人平臺(tái)中。目前，這一手術(shù)機(jī)器人具身智能模擬平臺(tái)已向全球手術(shù)機(jī)器人研究社群開源，進(jìn)一步助推了自動(dòng)化手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展。
2021年，在產(chǎn)學(xué)研合作的推動(dòng)下，竇琪團(tuán)隊(duì)與康諾思騰開啟產(chǎn)學(xué)研合作，對(duì)開發(fā)的平臺(tái)開展軟硬件驗(yàn)證工作。隨著合作逐漸深入，竇琪團(tuán)隊(duì)與企業(yè)團(tuán)隊(duì)不斷提升了手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)的精準(zhǔn)性，為后續(xù)的活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。而港中文醫(yī)學(xué)院團(tuán)隊(duì)逐漸加入，活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)得以順利成功開展。在這個(gè)過(guò)程中，整個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)慢慢集結(jié)并培養(yǎng)了來(lái)自機(jī)器視覺(jué)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、工程學(xué)、醫(yī)學(xué)等背景的人才，建立了一個(gè)在手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的多學(xué)科交叉研究團(tuán)隊(duì)。
“醫(yī)療器械人創(chuàng)新技術(shù)中心提供了工程創(chuàng)新與臨床應(yīng)用協(xié)同發(fā)展的獨(dú)特生態(tài)，加速?gòu)膶?shí)驗(yàn)室概念向臨床前研究的轉(zhuǎn)化進(jìn)程。這項(xiàng)醫(yī)工交叉的研究成果展現(xiàn)了人工智能輔助系統(tǒng)在外科手術(shù)領(lǐng)域的革新潛力。”港中文醫(yī)學(xué)院院長(zhǎng)趙偉仁表示。
外科醫(yī)生的“第三只手”
近段時(shí)間來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于手術(shù)機(jī)器人的研究都取得了不同程度的突破。例如，今年7月，美國(guó)霍普金斯大學(xué)的研究人員在《科學(xué)·機(jī)器人》雜志上發(fā)表的文章稱，他們訓(xùn)練出一個(gè)能利用人工智能自主完成膽囊切除手術(shù)步驟操作的機(jī)器人。
作為與美國(guó)同行在同期發(fā)表的研究之一，相比之下，竇琪團(tuán)隊(duì)提出的手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)展現(xiàn)出了更強(qiáng)的通用性，手術(shù)機(jī)器人自主能夠?qū)崿F(xiàn)多項(xiàng)手術(shù)任務(wù)操作。
一系列突破的背后，如何理解AI手術(shù)機(jī)器人在臨床應(yīng)用帶來(lái)的擔(dān)憂？“讓AI獨(dú)立完成整臺(tái)手術(shù)仍不現(xiàn)實(shí)。”竇琪比喻道，發(fā)展自動(dòng)化手術(shù)機(jī)器人應(yīng)做到鼓勵(lì)與監(jiān)管并進(jìn)，在規(guī)范的框架下有序發(fā)展。
“事實(shí)上，讓AI手術(shù)機(jī)器人成為醫(yī)生的‘第三只手’大有可為。”竇琪說(shuō)道，研究手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)的目標(biāo)就像是實(shí)現(xiàn)汽車的“輔助駕駛”功能。當(dāng)醫(yī)生在操作兩只機(jī)械臂進(jìn)行復(fù)雜手術(shù)操作時(shí)，AI機(jī)械臂如果能自動(dòng)承擔(dān)牽拉、止血等輔助任務(wù)，能夠減少醫(yī)生頻繁切換器械的負(fù)擔(dān)，提升手術(shù)效率，讓AI手術(shù)機(jī)器人成為醫(yī)生的“第三只手”。
“自動(dòng)化手術(shù)機(jī)器人從實(shí)驗(yàn)室到手術(shù)室的距離，比想象中更近。”竇琪預(yù)測(cè)，目前研究團(tuán)隊(duì)正開展更多輪的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，穩(wěn)步推進(jìn)臨床轉(zhuǎn)化。未來(lái)，他們將進(jìn)一步圍繞手術(shù)機(jī)器人的個(gè)性化協(xié)同和功能升級(jí)兩方面開展，讓AI手術(shù)機(jī)器人學(xué)習(xí)不同外科醫(yī)生的操作習(xí)慣，優(yōu)化人機(jī)交互體驗(yàn)，真正成為醫(yī)生的智能伙伴。
相關(guān)論文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adt3093
本文鏈接：國(guó)產(chǎn)手術(shù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)首例臨床場(chǎng)景下自主手術(shù)驗(yàn)證http://www.sq15.cn/show-11-24990-0.html
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