手術(shù)機(jī)器人被譽(yù)為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)“皇冠上的明珠”，作為醫(yī)生的“輔助工具”已完成了數(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)呢？

近日，香港中文大學(xué)一個(gè)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，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)研究成果發(fā)表于《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)域提供了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的純視覺(jué)解決方案。

研究人員使用手術(shù)機(jī)器人開(kāi)展手術(shù)任務(wù)自動(dòng)化的活體動(dòng)物驗(yàn)證（受訪(fǎng)者供圖）

給手術(shù)機(jī)器人裝一雙“慧眼”

當(dāng)前，外科手術(shù)機(jī)器人仍需醫(yī)生操控。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)窺鏡外，需要用兩只手操控三只機(jī)械臂，并通過(guò)腳下按鍵頻繁切換控制。而自動(dòng)化手術(shù)機(jī)器人往往依賴(lài)額外的傳感器輸入，或基于人工預(yù)定義的規(guī)則和模型，大大限制了臨床應(yīng)用。

在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)利用AI技術(shù)，研發(fā)出手術(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)實(shí)現(xiàn)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)確理解并深度估計(jì)各種手術(shù)場(chǎng)景。

論文通訊作者、香港中文大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)系助理教授竇琪介紹，相比現(xiàn)有自動(dòng)化手術(shù)機(jī)器人，團(tuán)隊(duì)有兩個(gè)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。一是臨床可用性。與以往采用額外傳感器的復(fù)雜方法不同，他們采用了純視覺(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)則采用數(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，完成不同的手術(shù)任務(wù)。

研究團(tuán)隊(duì)將該技術(shù)集成至合作企業(yè)康諾思騰的腔鏡手術(shù)機(jī)器人中，并在香港中文大學(xué)醫(yī)療機(jī)械人創(chuàng)新技術(shù)中心開(kāi)展活體豬多功能手術(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)自主手術(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)，建立實(shí)驗(yàn)室，在手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)化領(lǐng)域開(kāi)展研究。

那時(shí)，AI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)”?！伴_(kāi)展這項(xiàng)研究時(shí)，我們沒(méi)有太多可供參考的案例，幾乎是從零開(kāi)始。”竇琪回憶，隨著AI技術(shù)浪潮的到來(lái)、機(jī)器人具身智能概念的提出，團(tuán)隊(duì)嘗試運(yùn)用交互學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)。然而調(diào)研發(fā)現(xiàn)，并沒(méi)有適配AI技術(shù)的手術(shù)機(jī)器人模擬器，學(xué)科壁壘給研究帶來(lái)了極大挑戰(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，便能直接將技術(shù)遷移到現(xiàn)實(shí)中的手術(shù)機(jī)器人平臺(tái)。目前，SurRol已向全球手術(shù)機(jī)器人研究社群開(kāi)源，進(jìn)一步助推自動(dòng)化手術(shù)機(jī)器人發(fā)展。

2021年，竇琪團(tuán)隊(duì)與康諾思騰開(kāi)啟產(chǎn)學(xué)研合作，對(duì)平臺(tái)開(kāi)展軟硬件驗(yàn)證工作。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)不斷提高手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)的精準(zhǔn)性，為后續(xù)活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。香港中文大學(xué)醫(yī)學(xué)院團(tuán)隊(duì)加入后，活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)得以順利開(kāi)展。在這個(gè)過(guò)程中，項(xiàng)目慢慢集結(jié)并培養(yǎng)了機(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，建立了手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的多學(xué)科交叉團(tuán)隊(duì)。

“醫(yī)療機(jī)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)，加速了從實(shí)驗(yàn)室概念向臨床前研究轉(zhuǎn)化的進(jìn)程。這項(xiàng)醫(yī)工交叉的研究成果展現(xiàn)了AI輔助系統(tǒng)在外科手術(shù)領(lǐng)域的革新潛力。”香港中文大學(xué)醫(yī)學(xué)院院長(zhǎng)趙偉仁表示。

外科醫(yī)生的“第三只手”

一段時(shí)間以來(lái)，國(guó)內(nèi)外手術(shù)機(jī)器人研究取得了不同程度的突破。例如，今年7月，美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)的研究人員在《科學(xué)-機(jī)器人》發(fā)文稱(chēng)，他們訓(xùn)練出一個(gè)利用AI自主完成膽囊切除手術(shù)步驟操作的機(jī)器人。相比之下，香港中文大學(xué)團(tuán)隊(duì)的手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)展現(xiàn)出更強(qiáng)的通用性，可自主實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)手術(shù)任務(wù)操作。

盡管已有一系列突破，“讓AI獨(dú)立完成整臺(tái)手術(shù)仍不現(xiàn)實(shí)”。竇琪表示，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)，研究手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)的目標(biāo)就像實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的“輔助駕駛”功能。當(dāng)醫(yī)生用兩只機(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)，將減輕醫(yī)生頻繁切換器械的負(fù)擔(dān)，提高手術(shù)效率。

“自動(dòng)化手術(shù)機(jī)器人從實(shí)驗(yàn)室到手術(shù)室的距離比想象的更近。”竇琪預(yù)測(cè)。目前研究團(tuán)隊(duì)正開(kāi)展多輪動(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)開(kāi)展探索，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://doi.org/10.1126/scirobotics.adt3093