沒有人類指導(dǎo)，機(jī)器人自己就完成了手術(shù)？！結(jié)果還顯著優(yōu)于外科醫(yī)生。
最近，有這樣一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)引發(fā)了大家關(guān)注。美國(guó)約翰?霍普金斯研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)的手術(shù)機(jī)器人 STAR，在豬的軟組織上首次獨(dú)立完成腹腔鏡腸道吻合手術(shù) —— 重新連接腸道的兩端。研究人員表示，這是朝著對(duì)人類進(jìn)行全自動(dòng)手術(shù)邁出的重要一步。來看看這究竟是甚么回事？
CNN 跟蹤軟組織運(yùn)動(dòng)
一直以來，軟組織手術(shù)對(duì)機(jī)器人來朋友說尤其困難。且不說要求機(jī)器人高精度操作，還有各種不可預(yù)料的意外情況需要應(yīng)對(duì)決策。而在腹腔鏡手術(shù)中，這種難度進(jìn)一步增加。因?yàn)榭刹僮鞯目臻g有限，且目標(biāo)組織會(huì)有呼吸運(yùn)動(dòng)的偽影干擾。即便是最輕微的震動(dòng)或錯(cuò)位縫合，都可能給患者帶來嚴(yán)重的并發(fā)癥。
機(jī)器人 STAR，從誕生之日起，就是專門用于縫合軟組織的視覺引導(dǎo)系統(tǒng)。團(tuán)隊(duì)為其配備了專門的縫合工具和成像系統(tǒng)，以保證手術(shù)區(qū)域可視化。從結(jié)構(gòu)上看，STAR 由兩個(gè)醫(yī)用機(jī)械臂、電動(dòng)縫合工具，以及 NIR（近紅外成像）攝像機(jī)和一個(gè) 3D 單色內(nèi)窺鏡組成。
這個(gè)機(jī)器人最大的特點(diǎn)，就是以最少的人工干預(yù)來規(guī)劃、調(diào)整和執(zhí)行軟組織手術(shù)。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員開發(fā)了基于結(jié)構(gòu)光的 3D 內(nèi)窺鏡和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的跟蹤算法來指導(dǎo) STAR，用來規(guī)劃縫合。
目標(biāo)跟蹤算法使用了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) CNN，基于 U-Net 架構(gòu)，輸入包括近紅外攝像頭標(biāo)記的過去 2 秒內(nèi)的位置歷史以及從現(xiàn)在到 2 秒前的運(yùn)動(dòng)方向。
整個(gè)網(wǎng)絡(luò)涵蓋 4 個(gè)卷積層、3 個(gè)密集層和 2 個(gè)輸出。卷積層和前三個(gè)密集層的激活函數(shù)是 Rectified Linear Unit (ReLU)，最后一個(gè)密集層的激活函數(shù)是 SoftMax。該網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練階段預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)曲線，準(zhǔn)確度達(dá) 93.56%。
除此之外還有許多自主功能，包括啟動(dòng) / 暫停 / 解除組織跟蹤系，檢測(cè)軟組織的呼吸運(yùn)動(dòng)及其變形，控制攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)，縫合規(guī)劃、預(yù)測(cè)工具與軟組織碰撞等。如果 STAR 檢測(cè)到與當(dāng)前手術(shù)計(jì)劃相比組織位置的變化大于 3mm，則通知操作員啟動(dòng)新的縫合計(jì)劃和批準(zhǔn)步驟。接著，操作員就只需看著機(jī)器人操作了。在這項(xiàng)縫合任務(wù)中，超過 83% 的工作流程都是機(jī)器人自主完成的。有時(shí)候仍需要操作員手動(dòng)微調(diào)機(jī)器人，以便出現(xiàn)漏縫時(shí)糾正定位。
（相機(jī)放置在距離目標(biāo)組織 5 到 8 厘米處）
以往的工作中，組織追蹤僅考慮靜止組織，沒有考慮到呼吸運(yùn)動(dòng)，包括噪聲預(yù)濾波和碰撞預(yù)防，也無法自主形成重新規(guī)劃建議。操作員需要監(jiān)測(cè)縫合過程的每個(gè)子步驟，因此只有 57.8% 的縫合工作是機(jī)器人自主完成的。最終結(jié)果顯示，STAR 在四只動(dòng)物身上進(jìn)行了同樣的手術(shù)，整個(gè)手術(shù)時(shí)間大概在 4 小時(shí)，結(jié)果均顯著好于人類。尤其在位置校正、縫合間距、縫合線咬合大小、完成時(shí)間、管腔通暢和泄漏壓力等維度，均好于目前已開發(fā)的自主系統(tǒng)、專家手術(shù)等。在完成時(shí)間上可以看到，最短在 1 小時(shí)之內(nèi)就已經(jīng)完成。
主要作者之一，約翰霍普金斯大學(xué)教授 Axel Krieger 表示，STAR 產(chǎn)生的結(jié)果明顯優(yōu)于人類，這意味著機(jī)器人可自主完成腸道兩端的重新連接。這是手術(shù)中最復(fù)雜、最精細(xì)的任務(wù)之一。值得一提的是，本次研究團(tuán)隊(duì)中看到了一位華裔教授的身影。Jin U. Kang，電氣和計(jì)算機(jī)工程教授，光學(xué)成像方面的專家，是約翰霍普金斯大學(xué)卡夫里神經(jīng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)研究所和計(jì)算傳感與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的成員。2008 年至 2014 年，擔(dān)任電氣和計(jì)算機(jī)工程系的主席。
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論文鏈接：
[1]https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj2908
參考鏈接：
[1]https://me.jhu.edu/news/robot-performs-first-laparoscopic-surgery-without-human-help/
[2]https://hub.jhu.edu/2022/01/26/star-robot-performs-intestinal-surgery/
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