手術(shù)機器人被譽為機器人產(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)百萬次微創(chuàng)手術(shù)。那么，手術(shù)機器人能否“脫離”醫(yī)生的控制，自主完成手術(shù)呢？

近日，香港中文大學一個多學科研究團隊成功研發(fā)出基于人工智能（AI）驅(qū)動的手術(shù)機器人自動化技術(shù)，并將該技術(shù)集成于國產(chǎn)機器人中，在活體豬模型上實現(xiàn)了組織牽拉、紗布抓取、血管夾閉等多項自主手術(shù)操作。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學-機器人》。

據(jù)介紹，這是全球首例多功能手術(shù)自動化的活體動物驗證，為自動化手術(shù)機器人領(lǐng)域提供了數(shù)據(jù)驅(qū)動的純視覺解決方案。

研究人員使用手術(shù)機器人開展手術(shù)任務自動化的活體動物驗證（受訪者供圖）

給手術(shù)機器人裝一雙“慧眼”

當前，外科手術(shù)機器人仍需醫(yī)生操控。以腔鏡手術(shù)為例，醫(yī)生坐在控制臺上，除了一只機械臂放置內(nèi)窺鏡外，需要用兩只手操控三只機械臂，并通過腳下按鍵頻繁切換控制。而自動化手術(shù)機器人往往依賴額外的傳感器輸入，或基于人工預定義的規(guī)則和模型，大大限制了臨床應用。

在這項研究中，團隊利用AI技術(shù)，研發(fā)出手術(shù)機器人自動化的具身智能技術(shù)框架。該框架整合了機器視覺模型、強化學習和視覺伺服控制技術(shù)，無需額外傳感器就能實時分析內(nèi)窺鏡圖像，確保手術(shù)任務實現(xiàn)精準、高效、安全地自主操控。其中，基于基礎(chǔ)模型的視覺感知系統(tǒng)能準確理解并深度估計各種手術(shù)場景。

論文通訊作者、香港中文大學計算機科學與工程學系助理教授竇琪介紹，相比現(xiàn)有自動化手術(shù)機器人，團隊有兩個技術(shù)創(chuàng)新點。一是臨床可用性。與以往采用額外傳感器的復雜方法不同，他們采用了純視覺技術(shù)方案，依靠標準的雙目視頻就能實時準確理解手術(shù)場景，為自動化手術(shù)機器人裝上一雙“慧眼”，在臨床上更易使用。二是通用性。以往基于模型驅(qū)動的自動化方法針對特定動作建模后難以遷移，研究團隊則采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的交互式學習方式，通過矩陣實現(xiàn)通用性，能適配不同的手術(shù)場景，完成不同的手術(shù)任務。

研究團隊將該技術(shù)集成至合作企業(yè)康諾思騰的腔鏡手術(shù)機器人中，并在香港中文大學醫(yī)療機械人創(chuàng)新技術(shù)中心開展活體豬多功能手術(shù)自動化驗證，集成的腔鏡手術(shù)機器人成功完成了血管夾閉、組織牽拉、紗布抓取等多項自主手術(shù)操作，進一步推動自主手術(shù)從概念向臨床邁進。

多學科合作，打破知識壁壘

2020年，在英國帝國理工大學結(jié)束博士后工作后，竇琪回到母校香港中文大學，建立實驗室，在手術(shù)機器人自動化領(lǐng)域開展研究。

那時，AI和手術(shù)機器人兩個研究領(lǐng)域可以說是“各自為營”。“開展這項研究時，我們沒有太多可供參考的案例，幾乎是從零開始。”竇琪回憶，隨著AI技術(shù)浪潮的到來、機器人具身智能概念的提出，團隊嘗試運用交互學習開發(fā)手術(shù)機器人自動化技術(shù)。然而調(diào)研發(fā)現(xiàn)，并沒有適配AI技術(shù)的手術(shù)機器人模擬器，學科壁壘給研究帶來了極大挑戰(zhàn)。

為此，竇琪帶領(lǐng)團隊自主研發(fā)了手術(shù)機器人的具身智能數(shù)字孿生平臺SurRol。手術(shù)機器人自動化技術(shù)在這個模擬器上完成訓練后，便能直接將技術(shù)遷移到現(xiàn)實中的手術(shù)機器人平臺。目前，SurRol已向全球手術(shù)機器人研究社群開源，進一步助推自動化手術(shù)機器人發(fā)展。

2021年，竇琪團隊與康諾思騰開啟產(chǎn)學研合作，對平臺開展軟硬件驗證工作。兩個團隊不斷提高手術(shù)機器人自動化技術(shù)的精準性，為后續(xù)活體動物實驗奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。香港中文大學醫(yī)學院團隊加入后，活體動物實驗得以順利開展。在這個過程中，項目慢慢集結(jié)并培養(yǎng)了機器視覺、強化學習、工程學、醫(yī)學等背景的人才，建立了手術(shù)機器人領(lǐng)域的多學科交叉團隊。

“醫(yī)療機械人創(chuàng)新技術(shù)中心提供了工程創(chuàng)新與臨床應用協(xié)同發(fā)展的獨特生態(tài)，加速了從實驗室概念向臨床前研究轉(zhuǎn)化的進程。這項醫(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。”香港中文大學醫(yī)學院院長趙偉仁表示。

外科醫(yī)生的“第三只手”

一段時間以來，國內(nèi)外手術(shù)機器人研究取得了不同程度的突破。例如，今年7月，美國約翰斯·霍普金斯大學的研究人員在《科學-機器人》發(fā)文稱，他們訓練出一個利用AI自主完成膽囊切除手術(shù)步驟操作的機器人。相比之下，香港中文大學團隊的手術(shù)機器人自動化技術(shù)展現(xiàn)出更強的通用性，可自主實現(xiàn)多項手術(shù)任務操作。

盡管已有一系列突破，“讓AI獨立完成整臺手術(shù)仍不現(xiàn)實”。竇琪表示，發(fā)展自動化手術(shù)機器人應做到鼓勵與監(jiān)管并進，在規(guī)范的框架下有序發(fā)展。

“事實上，讓AI手術(shù)機器人成為醫(yī)生的‘第三只手’大有可為?！备]琪說，研究手術(shù)機器人自動化技術(shù)的目標就像實現(xiàn)汽車的“輔助駕駛”功能。當醫(yī)生用兩只機械臂進行復雜手術(shù)操作時，AI機械臂如果能自動承擔牽拉、止血等輔助任務，將減輕醫(yī)生頻繁切換器械的負擔，提高手術(shù)效率。

“自動化手術(shù)機器人從實驗室到手術(shù)室的距離比想象的更近?！备]琪預測。目前研究團隊正開展多輪動物實驗，穩(wěn)步推進臨床轉(zhuǎn)化。未來，他們將進一步圍繞手術(shù)機器人的個性化協(xié)同和功能升級開展探索，讓AI手術(shù)機器人學習不同外科醫(yī)生的操作習慣，優(yōu)化人機交互體驗，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