從外科醫(yī)生的角度談智能手術(shù)機器人研發(fā)

15/15從外科醫(yī)生的角度談智能手術(shù)機器人研發(fā)隨著智能化和機械化時代的到來，機器人在醫(yī)療領(lǐng)域也有著越來越多的應(yīng)用場景，比如機器人輔助影像學(xué)閱片，比如機器人輔助癱瘓患者康復(fù)鍛煉，比如機器人代替護士為患者發(fā)送藥物等等。其中在外科領(lǐng)域，近年來手術(shù)機器人產(chǎn)業(yè)也如雨后春筍一般蓬勃發(fā)展，包括以達芬奇為代表的軟組織手術(shù)機器人，和骨科手術(shù)機器人為代表的硬組織導(dǎo)航手術(shù)機器人。

各種手術(shù)機器人都有著其獨特的設(shè)計初衷與思路，通過不同的工科手段控制機器臂，輔助完成部分/全部臨床手術(shù)操作，滿足不同的臨床手術(shù)需求，希望通過機器臂輔助增加外科手術(shù)的精準性，達到提高手術(shù)療效、減少手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥、縮短手術(shù)時間的目的。

不同的機器人原理不盡相同，從外觀到內(nèi)部構(gòu)造差異巨大，作為一名醫(yī)生，這不是我的專業(yè)，無法準確做出評價。但外科醫(yī)生是使用操作機器人的主體，醫(yī)生肯定希望機器人產(chǎn)品好用、實用。那不如我們換一個角度，外科醫(yī)生需要什么樣的智能手術(shù)機器人呢？我們的需求是否有什么共通之處呢？是否我們的需求有著共同的解決辦法呢？下面我就從這個方面談?wù)勎业南敕ā?/p>

01智能化手術(shù)機器人的層次

在討論我們外科醫(yī)生需要什么樣的手術(shù)機器人前，我覺得有必要把“機器人”進行一些層次的劃分，不同層次的機器人滿足不同層次的需求，在不同的臨床層次上進行應(yīng)用。

（一）層次1，機器。機器具有這么幾個特點：

第一，重復(fù)性，機器可以按照指令反復(fù)完成重復(fù)性操作，保證每次操作的準確性和一致性，重復(fù)性操作中每次操作的差異很小。

第二，無疲勞性，機器主要靠電能驅(qū)動，無疲勞感，每次操作的力度均勻一致，不像人力操作，重復(fù)多次操作后會產(chǎn)生體力和精神上的疲勞感。

第三，穩(wěn)定性，機器擁有足夠的穩(wěn)定性，在完成某些精細操作時比人力穩(wěn)定性更強，人力會受到肌肉的力量、耐力、協(xié)調(diào)性等影響。

第四，準確性，機器會根據(jù)設(shè)定好的空間坐標系，準確的從A點移動至B點，或找到空間坐標系中的任意一點，而人力不論是從A點到B點的移動，或?qū)ふ胰我庖稽c，都需要較強的空間方位感。

（二）層次2，機器人：當從層次1的機器進化到層次2的機器人時，就要具備一些特殊的能力。人除了有靈活活動的肢體外，還有視覺、聽覺、觸覺等感知覺。

因此我覺得機器人這個層次，應(yīng)該也同樣具有這些感知覺，比如機器人擁有視覺，可以主動監(jiān)視機械臂的空間運動軌跡，或者把人體組織進行放大顯示，或者通過虛擬影像將重要組織（如腫瘤組織、血管、神經(jīng)等）進行顯示；具有聽覺，可以接受操作者的語音指令信息；具有觸覺，即力學(xué)反饋，告知操作者是否觸及人體組織，及觸及了什么質(zhì)地的人體組織。

（三）層次3，智能機器人：當從層次2的機器人進化到層次3的智能機器人時，無疑是要給機器人系統(tǒng)賦予人工智能。

機器人可以具有一定的思維能力，比如糾錯能力，當機器人的視覺系統(tǒng)收集信息，發(fā)現(xiàn)機器臂沒有按照既定軌跡進行運轉(zhuǎn)操作時，及時報警或停止操作；比如規(guī)劃能力，機器人可以預(yù)先設(shè)計好機器臂的運動軌跡，并提交操作者進行判斷是否準確可行；比如分析能力，機器人可以通過聽覺系統(tǒng)識別操作者的命令要求，可以通過觸覺系統(tǒng)識別觸碰到的人體組織類型。

由此可見，當“機器人”每進化一個層次，它都更像一個真正的“人”而非單純機械，都會具有更加強大的功能，也能為操作者（外科醫(yī)生）提供更好的幫助，其應(yīng)用場景也就更加廣泛。但目前為止，我覺得臨床上現(xiàn)有這些機器人都處于第一個及部分第二個層次，這就限制了其臨床應(yīng)用。

02外科醫(yī)生需要什么樣的智能化手術(shù)機器人

追求更高層次的機器人，肯定能更好的服務(wù)于臨床。但具體上，外科醫(yī)生需要什么樣的機器人呢？外科醫(yī)生對機器人有什么具體要求呢？要回答這個問題，首先要明確一點，我們到底需要一個獨立完成手術(shù)的機器人、醫(yī)生僅僅作為旁觀者和監(jiān)控者，還是需要一個輔助完成手術(shù)的機器人、醫(yī)生還是作為主導(dǎo)者和操作者。

不能否認，隨著技術(shù)的發(fā)展，未來的某一天，機器人可以通過倫理，獨立完成手術(shù)操作，但就目前短期來看，恐怕我們還是需要后者更多一些。如果按照這個思路去想，外科醫(yī)生到底需要什么樣子的機器人呢？既然醫(yī)生是操作者，機器人是輔助者，那就像手術(shù)臺上主刀和助手的區(qū)別。我想一個優(yōu)秀的手術(shù)助手的標準，就可以作為機器人的需求標準。

我現(xiàn)在是北京市三甲醫(yī)院的副主任醫(yī)師，既當過學(xué)生做過助手，也作為主刀醫(yī)生要求過我的助手。下面我就通過自身體會，結(jié)合機器人特點，談一談我對一個好的手術(shù)“助手”的認識和需求。手術(shù)助手分為一助、二助、三助、甚至四助，機器人剛才說了同樣分為不同的層次，兩者之間有很多相互對應(yīng)的地方。

（一）清晰的暴露手術(shù)術(shù)野：開放手術(shù)助手需要將皮膚、皮下組織、筋膜肌肉向周圍牽開，顯露需要進行手術(shù)的關(guān)鍵解剖部位，在外科中俗稱“拉鉤”；腔鏡手術(shù)由于存在各種工作通道，助手不需要牽拉肌肉，但需要保持腔鏡鏡頭的穩(wěn)定，對準需要進行手術(shù)的關(guān)鍵解剖部位，在外科中俗稱“扶鏡子”；同時清晰的顯露手術(shù)術(shù)野還包括吸引器吸血等。

這些操作往往由三助、四助，即低年資醫(yī)師完成?？墒莿e小看這些操作，保持術(shù)野清晰是提高手術(shù)速度、保證手術(shù)精準的前提要素。許多大外科主任腔鏡手術(shù)都有“御用”“扶鏡子”的助手；我在當?shù)湍曩Y醫(yī)生時第一次得到我?guī)煾傅馁p識，也是由于一次手術(shù)過程中準確的“拉鉤”，顯露出關(guān)鍵的解剖部位，我?guī)煾刚f我看懂這種手術(shù)了，知道上級醫(yī)師需要什么。

但就像上面我談到的，人力是會疲勞的，助手的手部力量不足，或術(shù)中注意力不集中，會導(dǎo)致“拉鉤”拉不到位，“扶鏡子”扶不穩(wěn)，從而影響手術(shù)進度。而機器臂方面則可以克服這些不足，機械臂不會疲勞，可以提供持續(xù)、恒定的牽引力或把持力；機械臂還可以比人手更加靈活，通過增加機械臂的關(guān)節(jié)，術(shù)者可以根據(jù)自己需要隨意調(diào)整用力方向，更好的滿足手術(shù)需要。同時可以引入智能化，如自動追蹤術(shù)者手術(shù)操作部位，調(diào)整機械臂的方向角度；通過術(shù)者語音控制，調(diào)整機械臂角度；自動識別出血，進行吸血操作等。

（二）精準化操作：不論是主刀，還是助手（特別是一助），都需要精準化的操作，外科醫(yī)生最基本的素質(zhì)就是膽大、心細、手巧，其中手巧就表現(xiàn)在精細化的操作。

就拿我們脊柱外科醫(yī)生行腰椎減壓手術(shù)為例，有些部位減壓、骨質(zhì)去除操作（如去除棘突、部分椎板、下關(guān)節(jié)突等）可以大刀闊斧，但一旦到了神經(jīng)周圍，如去除椎板內(nèi)層和黃韌帶、去除上關(guān)節(jié)突、擴大神經(jīng)根管，這些操作就要精雕細琢。

這其中機器人可以進行參與很多，一些風(fēng)險性低、重復(fù)性強的操作可以交給機器人完成，如將椎板逐層磨削、打薄；而一些風(fēng)險性高的操作可由機器人輔助完成，如機械臂可以通過規(guī)劃定位，或光電感受器，尋找硬膜、神經(jīng)根位置和走行，協(xié)助術(shù)者避開神經(jīng)根，從相對安全的位置開始進行減壓操作，逐步擴大減壓范圍。

外科醫(yī)生手術(shù)中還很強調(diào)手感，比如我們脊柱外科醫(yī)生行椎弓根釘置入過程中，需要靠開路錐感受椎弓根內(nèi)的松質(zhì)骨，錐子進入的過程中會有一種“踏雪感”，如果阻力突然增加，那有可能觸碰到了椎弓根的皮質(zhì)，需要調(diào)整方向，如果阻力突然消失，那有可能穿破了椎弓根的皮質(zhì)，造成置釘失敗或災(zāi)難性的損傷。

機器人輔助置釘也可以按此思路進行新的手術(shù)器械的研發(fā)，機器人可以帶有觸覺功能，即通過各種應(yīng)力或光電傳感器，感受應(yīng)力或電信號的變化，并將這些數(shù)據(jù)反饋給機器人，從而由機器人判斷螺釘是否穿破椎弓根皮質(zhì)。

（三）更好的顯示效果：主刀或者助手（特別是一助）還希望術(shù)中有更好的視覺顯示效果，能夠清晰的顯示手術(shù)部位的重要解剖結(jié)構(gòu)（血管、神經(jīng)、腫瘤瘤體、骨骼解剖標志點等）。

而有些重要的血管、神經(jīng)都很細小，人肉眼的分辨率是有限的，加上外科醫(yī)生可能存在各種視力問題（如近視、散光、老花等），這些因素都會影響醫(yī)生的判斷，造成血管、神經(jīng)損傷。

臨床上目前通過各種術(shù)中設(shè)備將這些重要結(jié)構(gòu)放大顯示，如脊柱外科、耳鼻喉科、血管科醫(yī)生應(yīng)用的鑲嵌式放大鏡，神經(jīng)外科醫(yī)生應(yīng)用的顯微鏡，普外科、泌尿科、胸外科、婦產(chǎn)科醫(yī)生應(yīng)用的腹腔鏡，骨科關(guān)節(jié)鏡、脊柱內(nèi)鏡等，都是通過不同的設(shè)備將術(shù)野放大，清晰的顯示原本細小的解剖結(jié)構(gòu)，達到提高手術(shù)精度的目的。

術(shù)野放大的好處是手術(shù)細節(jié)的清晰度增加，但缺點是觀察范圍的縮小。機器人可以整合這些設(shè)備，通過不同的臨床需求調(diào)整最適宜的放大率，并通過機械臂的高自由度調(diào)整最佳觀察角度，為醫(yī)生提供最佳的術(shù)野顯示。有時外科醫(yī)生還需要有一雙“透視眼”，比如肺惡性腫瘤都藏匿于正常肺組織內(nèi)，突出的椎間盤位于脊髓、神經(jīng)根下方，醫(yī)生需要通過自身經(jīng)驗和術(shù)前影像學(xué)檢查，判斷病變組織位置。

就拿我們脊柱外科為例，就是最常見的腰椎間盤突出癥手術(shù)，我們外科醫(yī)生首先需要去除部分椎板和關(guān)節(jié)突，切開黃韌帶，分離開神經(jīng)根，才能看見突出的椎間盤。這些操作每一步都存在很多“陷阱”。

骨質(zhì)去除少了影響觀察，去除多了影響穩(wěn)定性；黃韌帶可能與下方硬膜、神經(jīng)根粘連；神經(jīng)根本身位置可能存在各種解剖變異；突出的椎間盤可能對神經(jīng)根擠壓、使神經(jīng)根偏離正常位置；突出的椎間盤可能位于神經(jīng)根“肩上”，也可能位于“腋下”，可能向上游離至上位椎體后緣，也可能向下游離至下位椎體后緣。

為了規(guī)避這些“陷阱”，目前大都依賴于醫(yī)生對患者術(shù)前影像學(xué)資料（如CT、核磁等）的觀察，通過人腦對各種組織結(jié)構(gòu)進行重建，并術(shù)中根據(jù)自身經(jīng)驗進行分析判斷。機器人對圖像的重建、整合能力肯定優(yōu)于人腦，可以術(shù)前準確重建出病變組織的空間位置，及其與周圍正常組織的毗鄰關(guān)系，并可以整合虛擬現(xiàn)實VR、增強現(xiàn)實AR等技術(shù)，通過這些技術(shù)進行術(shù)中圖像輸出，為術(shù)者和助手提供病變組織位置，及其與周圍重要組織（血管、神經(jīng)等）位置關(guān)系。

這些特殊的顯示效果可以提高手術(shù)的精準度，提升手術(shù)速度效率，減少術(shù)中副損傷的發(fā)生率。將來更加智能的機器人系統(tǒng)可能能自動根據(jù)術(shù)者當前操作過程提供相關(guān)的術(shù)野顯示效果，并可以按照術(shù)者的要求對術(shù)野進行放大、縮小顯示，或三維組織結(jié)構(gòu)信息顯示。

（四）空間位置提醒：作為一名好的外科醫(yī)生，除了良好的手術(shù)技巧之外，空間位置想象能力也很重要。如剛才所述，外科醫(yī)生需要通過大腦對患者術(shù)前影像學(xué)資料進行重建、整合判斷病變組織位置，分析患者解剖結(jié)構(gòu)有無變異，如何通過解剖標志尋找到病變組織。

比如我們脊柱外科醫(yī)生行椎弓根釘置入前，需要術(shù)前分析患者CT資料，在腦海中規(guī)劃置釘入點、置釘角度，患者關(guān)節(jié)突增生可能影響入點選擇，椎弓根傾斜度、椎體旋轉(zhuǎn)度可能影響置釘角度。脊柱外科醫(yī)生行脊柱內(nèi)鏡手術(shù)時，內(nèi)窺鏡放大細節(jié)的同時會出現(xiàn)術(shù)野的縮小，需要準確判斷內(nèi)鏡位置，在有限的視野內(nèi)分辨重要的解剖標志點，如不準確時醫(yī)生要判斷需要向頭、尾、內(nèi)、外哪個方向調(diào)整內(nèi)鏡角度，滿足手術(shù)需求。

脊柱外科醫(yī)生行開放手術(shù)時，同樣需要術(shù)者和助手具有較強的空間位置感，通過重要的解剖標志點判斷需要減壓的位置，如頸椎后路椎管成形術(shù)，需根據(jù)解剖形態(tài)判斷椎板和關(guān)節(jié)突連接部的位置，判斷磨鉆使用的角度，磨鉆位置過高、角度不足可能導(dǎo)致椎板殘留，磨鉆位置過低、角度過大可能導(dǎo)致磨入側(cè)塊內(nèi)。

再如腰椎椎管減壓術(shù)，需要準確判斷椎板、下關(guān)節(jié)突、上關(guān)節(jié)突的相對位置關(guān)系，判斷各個部分去除的范圍，既保證減壓充分，又盡量保留關(guān)節(jié)突、最大程度維持腰椎術(shù)后穩(wěn)定性；就連最常見的腰椎間盤突出切除術(shù)，都需要準確判斷椎間盤與神經(jīng)根之間的關(guān)系，避免遺漏脫出的髓核。

外科醫(yī)生的空間感來源于手術(shù)經(jīng)驗的不斷積累、閱讀并重建術(shù)前影像學(xué)資料能力的不斷提升、以及一些空間位置感的天賦。如果術(shù)者或助手位置感不強，手術(shù)經(jīng)驗少，不能準確在大腦中重建出患者的影像學(xué)資料，那就會造成手術(shù)失誤，或者手術(shù)時間延長。

而機器人，特別是骨科機器人，設(shè)計上就標配有空間位置判斷能力，能夠根據(jù)患者術(shù)前或術(shù)中的CT掃描，獲得患者重要組織結(jié)構(gòu)的全部空間信息。包括重要解剖標志點、標志點與標志點之間、標志點與手術(shù)靶點之間的空間位置關(guān)系，并將這些空間位置關(guān)系在機器人的電腦中進行合成、分析、定位。

可是就目前而言，機器人雖然存儲有患者重要組織的全部空間信息，但無法100%全部輸出給術(shù)者或助手，比如脊柱手術(shù)機器人，其輸出的僅僅是椎弓根的信息（椎弓根釘?shù)娜朦c、軌跡、角度等），但其實機器人還存儲有椎板的厚度、傾斜度，關(guān)節(jié)突的增生、內(nèi)聚程度，椎間盤的高度，神經(jīng)根的位置、走行，突出的間盤與神經(jīng)根間的關(guān)系等等，這些信息對于術(shù)中減壓過程很重要，對于提高手術(shù)療效和安全性也很重要，卻沒有很好的將其進行輸出。

如果能將這些重要組織結(jié)構(gòu)的空間位置信息進行恰當?shù)妮敵?，通過可行的方法手段進行顯示，可以彌補術(shù)者及助手空間想象力不足的缺陷，可起到事半功倍的效果。將來更加智能化的機器人可能能自動跟蹤手術(shù)進程，為術(shù)者提供當前操作步驟所需的三維空間信息。

（五）風(fēng)險預(yù)警和糾錯能力：手術(shù)過程是一個術(shù)者與助手，術(shù)者與護士，術(shù)者與麻醉師交互的過程，在人與人不斷的交流中可以互相提醒，查缺補漏，避免錯誤、失誤的出現(xiàn)。特別是術(shù)者與助手的溝通，更顯得尤為重要，好的助手可以幫助術(shù)者避免很多醫(yī)療事故的發(fā)生。

我們脊柱外科開放手術(shù)，往往是術(shù)者站在患者一側(cè)，助手站在患者另一側(cè)，由于觀察角度的問題，骨質(zhì)結(jié)構(gòu)會造成視野造成干擾，術(shù)者會產(chǎn)生視覺盲區(qū)。比如腰椎減壓手術(shù)去除上關(guān)節(jié)突這一操作，術(shù)者站在患者左側(cè)去除左側(cè)的上關(guān)節(jié)突，但此時殘留的下關(guān)節(jié)突可能會對視野產(chǎn)生干擾，就像打一口井，要深入到井下打水，井壁會阻擋視線。此時助手就顯得尤為重要，他站在對側(cè)，視線不受干擾，當術(shù)者進行椎管減壓，特別是神經(jīng)根管減壓時，助手可以幫助術(shù)者分離神經(jīng)根與周圍組織的粘連，協(xié)助觀察手術(shù)器械（椎板咬骨鉗、磨鉆等）是否會對硬膜及神經(jīng)根造成損傷。

助手因年資、手術(shù)經(jīng)驗、手術(shù)專注度等的差異，會造成風(fēng)險預(yù)警和糾錯能力的不同，從而直接或間接影響到手術(shù)的安全性。此時如果引用機器人，能夠通過各種機器人相關(guān)視覺系統(tǒng)，觀察到手術(shù)全局，并在不同角度反饋給術(shù)者，術(shù)者便可以更好的掌控手術(shù)全過程。

還拿腰椎減壓手術(shù)舉例子，在術(shù)者同側(cè)引入觀察機器人，可以判斷術(shù)者是否按照既定軌跡進行減壓操作，減壓范圍、深度、手術(shù)器械與神經(jīng)根關(guān)系都可以得到精準化、個體化控制；而在術(shù)者對側(cè)的機器人，可以通過顯示屏顯示助手視野，術(shù)者在一些風(fēng)險性較高的操作時可以利用對側(cè)圖像進行參考，避免副損傷的發(fā)生。

再比如椎弓根釘置入過程，術(shù)者會預(yù)先設(shè)計好螺釘置入的入點、軌跡、角度、深度等信息，并將這些信息傳遞給機器人，機器人可以監(jiān)視整個置釘過程，當螺釘置入偏離這些預(yù)定值時即出現(xiàn)報警，提醒術(shù)者進行進一步判斷，置釘過程是否準確。

這就像我們開車時的后視鏡上的并線輔助、道路偏航提醒、倒車影像等，有經(jīng)驗的司機可能用不到，但在一些特殊情況下，這些風(fēng)險預(yù)警和糾錯能力系統(tǒng)可以避免很多事故的發(fā)生。將來加入人工智能的機器人甚至可以做到人機交互，機器人對手術(shù)過程中的錯誤、危險進行預(yù)警，并提出相應(yīng)的解決方案，使機器人更像一個擁有豐富經(jīng)驗的手術(shù)助手。

（六）更便捷的操作方式：機器人需要更加便捷、符合術(shù)者習(xí)慣的操作系統(tǒng)。智能手機之所以能取代傳統(tǒng)按鍵手機，除了智能手機采用了更強大的芯片處理器，更大量的觸屏操作，更人性化的操作系統(tǒng)，更快的圖像處理能力，更快速的網(wǎng)絡(luò)連接外，很大程度上在于智能手機包含有更多專門為其設(shè)計的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序方便了我們的生活，也改變了傳統(tǒng)的手機僅僅是通訊工具這一屬性。

我們前一秒鐘還在看微信、刷微博，下一秒鐘餓了需要各種外賣小程序進行點餐操作，或者在下一秒鐘因出門辦事需要打開導(dǎo)航小程序，又或者在下一秒鐘需要聽音樂放松一下而打開音樂播放器小程序。這些都拓展了手機的應(yīng)用場景，使其不僅僅是打電話