手術機器人被譽為機器人產業(yè)“皇冠上的明珠”，作為醫(yī)生的“輔助工具”已完成了數百萬次微創(chuàng)手術。那么，手術機器人能否“脫離”醫(yī)生的控制，自主完成手術呢？
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）驅動的手術機器人自動化技術，并將該技術集成于國產機器人中，在活體豬模型上實現了組織牽拉、紗布抓取、血管夾閉等多項自主手術操作。相關研究成果發(fā)表于《科學-機器人》。
據介紹，這是全球首例多功能手術自動化的活體動物驗證，為自動化手術機器人領域提供了數據驅動的純視覺解決方案。
研究人員使用手術機器人開展手術任務自動化的活體動物驗證（受訪者供圖）
給手術機器人裝一雙“慧眼”
當前，外科手術機器人仍需醫(yī)生操控。以腔鏡手術為例，醫(yī)生坐在控制臺上，除了一只機械臂放置內窺鏡外，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，研發(fā)出手術機器人自動化的具身智能技術框架。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，無需額外傳感器就能實時分析內窺鏡圖像，確保手術任務實現精準、高效、安全地自主操控。其中，基于基礎模型的視覺感知系統(tǒng)能準確理解并深度估計各種手術場景。
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，相比現有自動化手術機器人，團隊有兩個技術創(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方案，依靠標準的雙目視頻就能實時準確理解手術場景，為自動化手術機器人裝上一雙“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，研究團隊則采用數據驅動的交互式學習方式，通過矩陣實現通用性，能適配不同的手術場景，完成不同的手術任務。
研究團隊將該技術集成至合作企業(yè)康諾思騰的腔鏡手術機器人中，并在香港中文大學醫(yī)療機械人創(chuàng)新技術中心開展活體豬多功能手術自動化驗證，集成的腔鏡手術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操作，進一步推動自主手術從概念向臨床邁進。
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，在手術機器人自動化領域開展研究。
那時，AI和手術機器人兩個研究領域可以說是“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)手術機器人自動化技術。然而調研發(fā)現，并沒有適配AI技術的手術機器人模擬器，學科壁壘給研究帶來了極大挑戰(zhàn)。
為此，竇琪帶領團隊自主研發(fā)了手術機器人的具身智能數字孿生平臺SurRol。手術機器人自動化技術在這個模擬器上完成訓練后，便能直接將技術遷移到現實中的手術機器人平臺。目前，SurRol已向全球手術機器人研究社群開源，進一步助推自動化手術機器人發(fā)展。
2021年，竇琪團隊與康諾思騰開啟產學研合作，對平臺開展軟硬件驗證工作。兩個團隊不斷提高手術機器人自動化技術的精準性，為后續(xù)活體動物實驗奠定了堅實的技術基礎。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，建立了手術機器人領域的多學科交叉團隊。
“醫(yī)療機械人創(chuàng)新技術中心提供了工程創(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化的進程。這項醫(yī)工交叉的研究成果展現了AI輔助系統(tǒng)在外科手術領域的革新潛力。”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，國內外手術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步驟操作的機器人。相比之下，香港中文大學團隊的手術機器人自動化技術展現出更強的通用性，可自主實現多項手術任務操作。
盡管已有一系列突破，“讓AI獨立完成整臺手術仍不現實”。竇琪表示，發(fā)展自動化手術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手術機器人成為醫(yī)生的‘第三只手’大有可為?！备]琪說，研究手術機器人自動化技術的目標就像實現汽車的“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，提高手術效率。
“自動化手術機器人從實驗室到手術室的距離比想象的更近。”竇琪預測。目前研究團隊正開展多輪動物實驗，穩(wěn)步推進臨床轉化。未來，他們將進一步圍繞手術機器人的個性化協(xié)同和功能升級開展探索，讓AI手術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。
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(審核編輯: 光光)
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