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
文丨學術頭條，作者丨XT，編審丨寇建超
近幾年，醫療市場對于手術機器人的需求持續增長，國内外多家巨頭企業紛紛布局手術機器人市場，達芬奇手術機器人原一家獨大的壟斷局面逐漸被打破。在資本的推動下，手術機器人在技術上不斷取得新的進展，胸腔和腹腔鏡手術機器人技術逐漸成熟。
腔鏡手術機器人被譽為“醫療器械領域的航空母艦”，是目前手術機器人領域系統極為複雜、技術難度極大、臨床與商用價值極高的研發方向之一。尤其是在腹腔手術中，由于目标組織的進入和可見度有限，加上呼吸運動造成的僞影幹擾，手術難度極大。
近日，來自約翰·霍普金斯大學的一個研究團隊設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的情況下，成功完成對一頭豬的軟組織腹腔鏡手術。
相關研究以“Autonomous robotic laparoscopic surgery for intestinal anastomosis”為題，發表在科學期刊 Science Robotics 上。
該研究實作了使用智能組織自主機器人（STAR）執行機器人腹腔鏡小腸吻合術所需的增強自主性，并且能夠在腹腔鏡下實施增強的全吻合自主操作，标志着機器人技術向人類全自動手術邁出的重要一步。
該研究的作者之一、約翰·霍普金斯大學懷特工程學院機械工程助理教授 Axel Krieger 說：“我們的研究結果表明，我們可以将外科手術中最複雜、精細的任務之一實作自動化——重新連接配接腸道的兩端。STAR 在四隻動物身上進行了手術，明顯比醫生進行同樣的手術效果要好。”
首個在軟組織中完成吻合術的自主手術機器人
外科手術機器人的發展已有多年，但多以輔助型手術系統為主，如處于世界尖端水準的達芬奇手術機器人，由外科醫生控制機器人輔助進行手術，系統雖具有極高的精準性，但在實作自主手術上仍面臨相當大的挑戰。
自主軟組織手術要求手術機器人具備準确可靠的成像系統，進而檢測和跟蹤目标組織，還需考慮軟組織變形給手術帶來的複雜度增加等因素，對機器人系統要求較高。腹腔鏡手術就是一個典型的應用場景，由于目标組織的進入和可見度有限，加上呼吸運動造成的僞影幹擾，導緻手術難度極大。
在外科手術中，吻合術恰好是考察自主機器人手術系統進行軟組織手術的一個合适場景。該手術的目的是将軟組織的兩個斷端接起來，恢複連續的生理結構，如胃腸道吻合術、輸卵管吻合術、肌腱吻合術等。在技術上，涉及腔結構的近似和重建，對手術的可操作性和可重複性要求極高。
盡管現有的自主手術機器人已取得明顯進步，但多數系統在複雜任務中仍表現出較低的自主性，對醫生的依賴性較高。
在該研究中，Axel Krieger 等人設計了一款面向腹腔鏡手術場景的增強型自主 STAR 系統，并配備了專門的縫合工具和最先進的成像系統。成像系統使用近紅外标記，可跟蹤目标組織縫合過程的起點和終點，在手術過程中對血液和薄組織的閉塞具有較強的魯棒性，系統的自主性和手術精度得以增強。
圖 | 加強自主腹腔鏡軟組織手術（A：STAR系統的組成部分，包括醫療機器人手臂、驅動的手術工具以及雙通道近紅外和三維結構光内窺鏡成像系統；B：STAR的增強型自主要制政策的控制架構）
連接配接腸道的兩端可謂是胃腸手術中最具挑戰性的一步，需要外科醫生以高精度和一緻性對腸道進行縫合，即使是手術中最輕微的手部顫抖或錯位的縫線，均可能導緻腸道内分泌物的洩漏，為患者帶來災難性的并發症。
研究人員使用 STAR 在豬小腸上進行體内腹腔鏡自主手術。術前，操作員通過圖形使用者界面啟動 STAR ，系統自主生成縫合算法并實施縫合任務。在縫合過程中，操作員會在 STAR 執行縫線計劃之前通過 GUI 對縫合步驟進行微調，但大部分工作流程都是以自主方式完成的。
在腹腔鏡手術期間，由于豬的呼吸和其他組織運動會導緻手術目标組織的運動，給手術增加難度。為此，研究人員開發了一種基于卷積神經網絡和近紅外錄影機回報的機器學習算法，來跟蹤手術期間目标組織的運動。
Krieger 說：“軟組織手術對機器人來說尤其困難，因為它的不可預測性迫使它們能夠快速适應以應對意外的障礙。STAR 是一個新穎的控制系統，可以像外科醫生一樣實時調整手術計劃。STAR 的特别之處在于，它是首個在軟組織中自主規劃、調整和執行手術計劃的機器人系統，且手術過程中人工幹預最少。”
縫合技術可與外科醫生相媲美
為檢測手術效果，研究人員對小豬進行了為期 1 周的術後存活期監測，并進行了有限的屍檢。生存研究結果表明，STAR 系統可以在無洩漏吻合和管腔通暢等名額上與專家外科醫生的表現相媲美，系統甚至表現出更高的一緻性水準。
圖 | 體内實驗結果（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例子；B) PMN 細胞作為每個樣本的發炎的代用指；C：屍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，但在手術技術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标組織在某個工作區域的可達性等因素，STAR 機器人、手動腹腔鏡手術和遙控達芬奇手術的比較是在幻影組織上進行的，而體内研究不可能使用基于達芬奇的測試臂。
研究人員表示，在未來的研究中，将內建和測試無标記組織跟蹤技術，将相機系統簡化為内窺鏡，并增加觸覺傳感器，進一步提高系統的自主性，加快機器人完成手術的時間。
盡管在複雜和不可預測的手術場景中無法消除人工監督的作用，但 STAR 系統可有效降低由于醫生在醫學經驗和能力上的個體差異導緻的手術風險，并提高手術安全性和手術結果的一緻性。
Krieger 表示，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顯得非常重要。“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。我們假設這将導緻患者護理的民主化手術方法具有更高的可預測和一緻性。”
參考資料：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj2908
https://techxplore.com/news/2022-01-robot-laparoscopic-surgery-human.html