來源：器械之家，未經授權不得以任何形式轉載，且24小時後方可轉載。
近日器械之家獲悉，約翰霍普金斯大學的研究人員設計的機器人在沒有人類幫助的情況下對豬進行了極其複雜的手術。這是手術機器人執行世界首個自主腹腔鏡手術，它可能隻是腹腔鏡手術的未來。
智能組織自主機器人 (STAR) 進行了四次非常棘手的胃腸道手術，以展示其手術能力。雖然現有的機器人腹腔鏡手術系統 确實使某些手術更安全、侵入性更小，但這些系統仍由人類外科醫生操作。然而，現在手術機器人已經完全靠自己完成了一項精細的手術。
01
首個自主手術機器人
自主機器人手術有可能提供與個體外科醫生的技能和經驗無關的療效、安全性和一緻性。自主吻合術是一項具有挑戰性的軟組織手術任務，因為它需要複雜的成像、組織跟蹤和手術計劃技術，以及通常在非結構化和可變形環境中通過高度适應性控制政策的精确執行。在腹腔鏡環境中，此類手術更具挑戰性，因為在運動和視力限制下需要高可操作性和可重複性。
與目前的遙控機器人輔助手術 (RAS) 相比，自主機器人手術系統具有顯著提高效率、安全性和一緻性的潛力，例如達芬奇機器人 (Intuitive Surgical Inc.)。自主機器人系統旨在提供獨立于個人經驗和日常性能變化的标準手術解決方案。自主手術機器人系統的成熟示例包括用于剛性骨組織手術的 TSolution One ( 1 ) (THINK Surgical)、用于頭發修複的 ARTAS ( 2 ) (Restoration Robotics Inc.) 和用于自主血液的 Veebot ( 3 ) (Veebot LLC)采樣。
目前，最先進的自主能力在 Cyber Knife 機器人中實作（ 4) (Accuracy Inc.)，該公司在人工監督下對腦部和脊柱惡性良性腫瘤進行放射外科手術。但是，該機器人對封閉在剛性骨結構中的組織使用非接觸式治療方法。盡管做出了這些努力，自主軟組織手術仍然面臨着相當大的挑戰。
非結構化環境中的自主軟組織手術需要準确可靠的成像系統來檢測和跟蹤目标組織，需要考慮組織變形的複雜任務規劃政策，以及通過适用于動态手術的靈巧機器人工具和控制算法精确執行計劃情況。
在這種高度多變的環境中，術前手術計劃，例如在剛性組織中，不是一個可行的解決方案。在腹腔鏡手術的情況下，由于目标組織的接近和可見性有限以及呼吸運動僞影的幹擾，難度進一步增加。吻合術是一項軟組織手術任務，涉及腔結構的近似和重建，需要高可操作性和可重複性，是以是在軟組織手術場景中檢查自主機器人手術系統的合适候選者。
該機器人平台是由一個 KUKA LBR Med 輕型機器人組成，配備了一個帶俯仰控制的電動商用 Endo 360 縫合工具。相機系統允許測量距組織 5 到 8 厘米距離的組織幾何形狀。該系統能夠通過線性平台對攝像系統進行動态位置控制，用于在STAR執行縫合計劃時防止攝像系統與縫合工具發生碰撞。
其還通過 STAR 為體内動物研究建構了一個定制的腹腔鏡成像系統。投影儀和單色相機用于重建樣本的 3D 點雲，NIR 光源和 NIR 相機用于熒光标記成像，通過非重疊成像光譜視窗同時啟用兩個相機。
此外，必要時還添加了白光源監測動物體内的環境，NIR 和 3D 攝像頭使機器人能夠重建組織的 3D 模型并規劃機器人縫合線規劃。成像系統的詳細規格在補充方法中提供，在實踐中，相機放置在距離目标組織 5 到 8 厘米處，用于收集 3D 點雲，而縫合工具從視野中縮回以防止遮擋和與手術區域發生碰撞。
02
完成動物實驗
腸吻合術是外科醫生重新連接配接兩個先前斷開的腸道末端的過程。值得注意的是，它在縫合過程中需要非常高的精确度。聽起來很簡單，對吧？這不是那麼簡單。約翰霍普金斯大學的新聞稿表明，任何不完美的事情都可能對患者造成毀滅性的（并且可能是緻命的）結果。
可以這麼說，機器人能夠做到這一點是非常了不起的。STAR不僅完成了一次，而且完成了四次。并且在執行相同程式時表現優于人類，聽起來覺得這樣的機器人手術可能很快就會出現在手術方式選擇欄上。
考慮到軟組織手術的敏感性，這一點尤其值得注意。正如約翰霍普金斯大學機械工程助理教授 Axel Kreiger 在霍普金斯大學釋出的新聞稿中指出的那樣，這是一項需要外科醫生适應能力強、思維靈活以防出現并發症的手術。當然，機器人并不是天生就以其快速思考的能力而聞名。但由于其新穎的控制系統，STAR 無疑證明了這一規則的例外。
Krieger 說：“機器人吻合術是確定每位患者都能以更高的準确性和精确度執行需要高精度和可重複性的手術任務的一種方法，而與外科醫生的技能無關。” “我們假設這将導緻患者護理的民主化手術方法具有更可預測和一緻的患者結果。”
STAR 項目是霍普金斯大學電氣和計算機工程教授 Krieger、Jin Kang 和華盛頓特區的國家兒童醫院之間的合作。這個特殊的模型是他們 2016 年機器人的更新，它可以修複豬腸，但不能沒有人工幫助。他們目前的疊代推進了2016 年的模型，該模型準确地修複了豬的腸道，但需要大切口才能進入腸道并需要更多的人類指導。
該團隊為 STAR 配備了增強自主性和提高手術精度的新功能，包括專門的縫合工具和最先進的成像系統，可提供更準确的手術區域可視化。
随着醫學領域朝着更多的腹腔鏡手術方法發展，擁有一個為此類手術設計的自動化機器人系統來提供幫助将非常重要。機器人吻合術是確定每位患者都能以更高的準确性和精确度執行需要高精度和可重複性的手術任務的一種方法，而與外科醫生的技能無關。這将導緻患者護理的民主化手術方法具有更可預測和一緻的患者結果。
——
軟組織手術對自主機器人來說尤其困難，因為它的不可預測性迫使機器人要快速适應以應對意外的障礙。STAR機器人在沒有人類指導的情況下對豬的軟組織進行了腹腔鏡手術，這是朝着全自動人類手術邁出的重要一步。
坦白講，更多自動化手術的想法聽起來有點不切實際，但鑒于 STAR 的成功，我們持樂觀态度。未來或将有多的自動化機器人進入醫療領域，不限于醫生經驗，提供一緻性的手術診療，發揮其所具有的優勢，器械之家将持續關注。