把手術(shù)刀交給機(jī)器人？
作者｜James Gaines
翻譯｜MD
審校｜D
2004年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）發(fā)布懸賞，只要設(shè)計出可以從加利福尼亞州巴斯托一路自動駕駛到內(nèi)華達(dá)州普里姆的汽車，任何團(tuán)體都可以獲得100萬美元的獎金。這是一段長達(dá)142英里的崎嶇路段。13年后，美國國防部宣布了另一個獎項——這次獎勵的不再是無人駕駛汽車，而是“機(jī)器人醫(yī)生”。
20世紀(jì)80年代，手術(shù)室里就已出現(xiàn)了機(jī)器人，但僅用于固定病人的四肢。隨后，機(jī)器人又被應(yīng)用于腹腔鏡手術(shù)，讓外科醫(yī)生可以遠(yuǎn)程控制機(jī)器人手臂，通過幾個微小創(chuàng)口（而不是大切口）對人體進(jìn)行手術(shù)操作。但在大多數(shù)情況下，這類機(jī)器人在本質(zhì)上，只是外科醫(yī)生幾個世紀(jì)以來一直常規(guī)使用的手術(shù)刀和鑷子的“更花哨的版本”——花哨得多、復(fù)雜得多，能夠進(jìn)行令人難以置信的精度操作，但仍舊必須由外科醫(yī)生操控。
盡管存在諸多挑戰(zhàn)，但這種情況正在改變。時至今日，在該獎項宣布的五年后，工程師們正在逐步制造不依賴醫(yī)生的機(jī)器人，它們不僅可以做切割或縫合等操作，還可以設(shè)計切口、進(jìn)行即興發(fā)揮并適度調(diào)整。研究人員正在提高機(jī)器人的能力，使其能夠順利穿行于復(fù)雜的人體之中，并與人類醫(yī)生協(xié)作。但是，軍方所期待的那種完全自主的機(jī)器人外科醫(yī)生——就像真正的無人駕駛汽車一樣——仍需很久才能出現(xiàn)。不僅如此，這類機(jī)器人所面臨的最大的挑戰(zhàn)，可能并不在技術(shù)層面，而是在于如何說服人們放心使用它們。
駕馭不可預(yù)知性
就像司機(jī)一樣，外科醫(yī)生必須學(xué)會在特定環(huán)境中明確位置和方向，這聽起來很容易，但在現(xiàn)實世界中卻往往非常復(fù)雜?，F(xiàn)實生活中的道路有交通路況、施工設(shè)備、行人——所有這些東西都不一定會在谷歌地圖上顯示，因此汽車必須學(xué)會自己躲避這些東西。
同樣，雖然人的身體大體上都很相似，但兒童電影里的一個大道理是對的：我們的內(nèi)在都很特別。器官的精確尺寸和形狀，疤痕組織的存在與否，以及神經(jīng)或血管的具體位置這些往往都因人而異。
“每個病人都有如此多的個體差異，”西雅圖華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的婦科腫瘤學(xué)家和外科主任醫(yī)師芭芭拉·戈夫說，“我認(rèn)為這是個挑戰(zhàn)”。她本人使用腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人已有十多年了——那種不能自主移動但能依據(jù)外科醫(yī)生指示行動的機(jī)器人。
患者身體的移動帶來了額外的復(fù)雜性。一些機(jī)器人已經(jīng)能夠體現(xiàn)出一定程度的自主性，其中一個典型的例子是一個名為ROBODOC的設(shè)備（可能有點拗口），它可以在髖關(guān)節(jié)手術(shù)中用來刮除髖臼周圍的骨質(zhì)。但是骨頭相對來說比較容易操作，而且一旦被鎖定，就不會有太大的移動。亞歷克斯·阿塔納西奧說：“骨頭不會彎曲，如果會的話，那問題就大了?！彼乾F(xiàn)在柯尼卡美能達(dá)公司的研究專家，曾為2021年的《控制、機(jī)器人和自動化系統(tǒng)年鑒》撰寫手術(shù)機(jī)器人相關(guān)的文章。
不幸的是，身體的其他部分并不那么容易固定不動。肌肉會收縮、胃會咕嚕、大腦會抖動、肺會舒張——這些器官甚至在外科醫(yī)生到達(dá)前就會自行開始移動。人類外科醫(yī)生可以清楚地看到和感知到他們正在做什么，但機(jī)器人又怎么知道它的手術(shù)刀是否處于正確的位置，刀下的組織又是否發(fā)生了位移？
對于這種不斷變化的情況，最有前景的思路之一是結(jié)合攝像頭和復(fù)雜的跟蹤軟件。例如，在2022年初，約翰·霍普金斯大學(xué)的研究人員使用一種名為智能組織自主式機(jī)器人（簡稱STAR）的設(shè)備，成功將被麻醉的豬斷裂的腸管兩端重新縫合起來——這是一項非常棘手的任務(wù)，多虧了這種可視系統(tǒng)的幫助。
一名操作員在腸管的兩端滴上熒光膠水，形成了機(jī)器人可以追蹤的標(biāo)記（有點像好萊塢電影中穿著動作捕捉服的演員）。同時，一個攝像系統(tǒng)利用投射到該區(qū)域的光點網(wǎng)格，創(chuàng)建了豬身體組織的三維模型。這些技術(shù)疊加在一起，使機(jī)器人能夠“看到”它面前的東西。
“我們的探測系統(tǒng)真正的特別之處在于，它不僅使我們能夠重現(xiàn)具體身體組織的樣子，還能反應(yīng)得足夠迅速，甚至可以做到實時變化”，霍普金斯大學(xué)的工程博士生、 STAR系統(tǒng)的聯(lián)合設(shè)計者賈斯汀·奧夫曼說，“如果在手術(shù)期間有什么發(fā)生了改變，你可以隨時發(fā)現(xiàn)并做出調(diào)整。”
然后，機(jī)器人便可以利用這些視覺信息來預(yù)測最佳行動方案，向人類操作員展示不同的計劃、供其選擇，或者在每針縫合間進(jìn)行確認(rèn)。在測試中，STAR的表現(xiàn)十分不錯，但并不完美?？偟貋碚f，它83%的縫合工作可以自主完成，但在另外17%的時間里，人類仍然不得不介入，以糾正問題。
“我們顯然可以做的比83%更好，”奧夫曼說。他表示，手術(shù)中出現(xiàn)的大部分問題是，機(jī)器人在某些角落有點難以找到正確的角度，需要人把它推到正確的位置。最新的、尚未公布的實驗表明，目前可以實現(xiàn)超過90％的正確率。在未來，人類可能只需要同意手術(shù)計劃，然后看著它自行操作，不再需要進(jìn)行任何干預(yù)。
自1970年代美國宇航局對遠(yuǎn)程手術(shù)的探索以來，手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)逐漸變得越來越能干。最終，它們或許能夠自己做出決定并執(zhí)行，而無需人類外科醫(yī)生的干預(yù)或監(jiān)督。｜圖源：J.Gaines/Knowable Magazine
通過安全測試
不過現(xiàn)在，仍然需要有人“坐在駕駛座上”。對于許多不同的自主式機(jī)器人來說都是如此：雖然理論上我們可以將決策權(quán)完全交給機(jī)器人，但這確實涉及到一個問題——這個問題同樣正在困擾著無人駕駛汽車的推行。
“如果無人駕駛出問題怎么辦？”阿塔納西奧發(fā)問，“如果汽車出了事故怎么辦？”
目前，普遍的看法是，讓人類保持最終掌控是最優(yōu)解——至少要發(fā)揮監(jiān)督作用，審查和確認(rèn)程序，并且時刻準(zhǔn)備緊急情況的不時之需。
即便如此，向醫(yī)院和監(jiān)管機(jī)構(gòu)證明自主式機(jī)器人的安全系數(shù)和工作效率，可能依舊是自主機(jī)器人進(jìn)入手術(shù)室的最大難關(guān)。對于如何解決這個問題，專家們有一些自己的看法。
例如，阿塔納西奧指出，設(shè)計者可能需要向監(jiān)管機(jī)構(gòu)細(xì)致地解釋機(jī)器人思考、決策下一步行動的原理，特別是當(dāng)它們不只是協(xié)助人類外科醫(yī)，而是要自主行醫(yī)的時候。不過，這種辦法可能說起來容易做起來難，因為目前的人工智能系統(tǒng)思考過程很難為人所觀察。因此，工程師們可能需要在進(jìn)行設(shè)計的一開始，就考慮到 “可解釋性 ”的重要性。
英國利茲大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師、阿塔納西奧的合作作者之一皮特羅·瓦爾達(dá)斯特里認(rèn)為，或許壓根沒有制造商能夠輕易地解決監(jiān)管問題，不過他確實有一個變通辦法?！斑@里的變通方法是制造一個系統(tǒng)，讓它即使自主運行時，也能從根本上保證安全。” 也就是說，下一代的手術(shù)機(jī)器人可能更像碰碰車而非跑車。
這就是瓦爾達(dá)斯特里正在研究的所謂軟體機(jī)器人，特別是用于結(jié)腸鏡檢查中。目前的結(jié)腸鏡檢查一般需要將內(nèi)窺鏡—— 一根帶有攝像頭的軟管——穿過腸道，以尋找結(jié)腸癌的早期跡象。結(jié)腸鏡檢查通常是所有45歲以上的人都推薦做的——但是腸鏡操作者需要花很長時間和大量培訓(xùn)才能熟練掌握。訓(xùn)練有素的操作人員很少，而等待檢查的名單則一直在急劇增長。
瓦爾達(dá)斯特里解釋道，一個能夠自我控制的智能機(jī)器人將使這項工作變得容易得多——就像在電子游戲中駕駛汽車一樣。這樣，醫(yī)生們便可以專注于手頭的任務(wù)：尋找癌癥的早期跡象。同時，這樣由軟性材料制成的機(jī)器人還會比堅硬的設(shè)備更安全。瓦爾達(dá)斯特里說，它甚至可以減少對麻醉或鎮(zhèn)靜的需求，因為它可以輕易的避免對腸壁的推擠。而且，由于這種機(jī)器人不能自行切割或清除任何東西，監(jiān)管機(jī)構(gòu)可能更樂意接受它們。
奧夫曼表示，隨著技術(shù)的發(fā)展，自主式機(jī)器人一開始可能只會獲批完成較簡單的任務(wù)，比如圖像采集。當(dāng)越來越多的這些基礎(chǔ)工作得到批準(zhǔn)，不同復(fù)雜任務(wù)的組合可能會逐漸形成一個自主系統(tǒng)。他說，在汽車領(lǐng)域，我們就是先有了巡航控制，再有了剎車輔助、車道保持，甚至是輔助停車——所有這些都在朝著無人駕駛的方向發(fā)展。
“我認(rèn)為我們的情況將會很類似，”奧夫曼說，“從許多小型的自主任務(wù)，最終發(fā)展串聯(lián)成為一個完整的醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)。”
作者James Gaines 是 Knowable Magazine 的研究員和自由科學(xué)記者，居住在西雅圖。他是自主的，但很難解釋何以自主以及為何自主。
譯名對照表
autonomous robots 自主式機(jī)器人
Aleks Attanasio 亞歷克斯 阿塔納西奧
Pietro Valdastri 皮特羅-瓦爾達(dá)斯特里
Justin Opfermann 賈斯廷·奧夫曼
Konica Minolta 柯尼卡美能達(dá)
surgeon-in-chief 主任醫(yī)生
Barbara Goff 芭芭拉-戈夫
Department of Defense 美國國防部
Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems 控制、機(jī)器人和自動化系統(tǒng)年鑒
da Vinci surgical robot 達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人
laparoscopic surgery 腹腔鏡手術(shù)
the University of Leeds 利茲大學(xué)
版權(quán)聲明
本文授權(quán)翻譯自Annual Reviews 旗下雜志 Knowable Magazine，點擊文末閱讀原文可訂閱其英文通訊。
Annual Reviews是一家致力于向科研工作者們提供高度概括、綜合信息的非營利性機(jī)構(gòu)，且專注于出版綜述期刊。
原文標(biāo)題“Handing the surgeon’s scalpel to a robot”，作者James Gaines，2022年9月13日發(fā)布于 Knowable Magazine。
封面圖CREDIT: COURTESY OF AXEL KRIEGER AND JIN KANG，來自Knowable Magazine網(wǎng)站。
鏈接：https://knowablemagazine.org/article/technology/2022/handing-surgeon-scalpel-to-robot
制版｜馬修
saixiansheng@zhishifenzi.com
