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| 本文作者： 李勤 | 2017-07-09 18:45 | 專題：GAIR 2017 |
雷鋒網(wǎng)編者按：7月8日，中國計算機學(xué)會（CCF）主辦、雷鋒網(wǎng)與香港中文大學(xué)（深圳）承辦的第二屆全球人工智能與機器人峰會（CCF-GAIR 2017）進入第二天，在機器人專場中，英國帝國理工大學(xué)教授、英國皇家工程院院士、IEEE Fellow 楊廣中作為第一位演講者，進行了題為《Surgical Robotics – the Next 25 Years》的演講。以下為楊廣中的演講摘要，雷鋒網(wǎng)編輯在不影響原意的基礎(chǔ)上略有刪減，小標(biāo)題為雷鋒網(wǎng)編者所加。
由于技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療手術(shù)在過去兩三百年間在安全性、可靠性，并且加速病人的康復(fù)上獲得了進展。比如，1967年人類實現(xiàn)了第一例心臟移植，1975年微創(chuàng)手術(shù)出現(xiàn)，到2010年實現(xiàn)整體臉部置換手術(shù)。
在過去二三十年中，微創(chuàng)手術(shù)的確發(fā)展得非常好，主要得益于微創(chuàng)手術(shù)器械、影像等各方面的支撐。 我們在做手術(shù)之前，對整個手術(shù)已有非常好的判斷。怎么做、如何到達病灶，怎樣最大程度地減輕痛苦，加快病人康復(fù)，這些都是微創(chuàng)手術(shù)的初衷。但是，現(xiàn)有微創(chuàng)手術(shù)有一個缺點就是操作相對困難。為了解決這些問題，在九十年代，手術(shù)機器人開始得到推廣。手術(shù)機器人有哪些優(yōu)點？主要可以解決微創(chuàng)手術(shù)三個問題。
第一，進行精致操作時，眼睛和手的運動兩個軸之間最好要重合，如果眼睛看一個地方，手往另外一個地方，很多精細(xì)的操作就比較困難。 第二，靈巧的手術(shù)器械，這樣很多復(fù)雜的操作包括細(xì)密縫合就能做。第三，視野和動作可以同時放大并且除顫。今后，機器人可以通過自然腔道進入人體，并且會有很多顯微手術(shù)可用機器人做。
早在九十年代， 美國的Computer Motion Inc 發(fā)布了AESOP系統(tǒng)并取得了FDA認(rèn)證。它主要通過語音識別來控制內(nèi)窺鏡。之后該公司發(fā)展了Zeus系統(tǒng)，這樣醫(yī)生可以坐著操作主機械臂，眼睛的軸跟動作的軸重合，并且視野和運動同時放大，以便于操作細(xì)微手術(shù)。 達芬奇系統(tǒng)也具有相同功能，現(xiàn)在它已在臨床得到廣泛應(yīng)用。
綜觀過去二三十年，手術(shù)機器人已從一個簡單的系統(tǒng)發(fā)展成今天能進行精密控制并且多人協(xié)作的系統(tǒng)。在手術(shù)機器人領(lǐng)域，還有很多其他系統(tǒng)，包括骨科和心血管介入的機器人。
現(xiàn)在，手術(shù)機器人發(fā)展日新月異。25年前，手術(shù)機器人是一新興的技術(shù)，現(xiàn)在，手術(shù)機器人已經(jīng)逐漸普及。但是，它的問題在于：第一，價格偏高；第二，適用癥不是太全；第三，術(shù)中影像和真正的智能方面還未很好的結(jié)合。盡管如此，手術(shù)機器人的市場依然被看好，手術(shù)機器人年均復(fù)合增長率在13%左右，在 2020 年可能達到 180 億美元的市場規(guī)模，而這些都是相對比較保守的估算。
下面我把手術(shù)機器人主要功能給大家演示一下。實時手術(shù)導(dǎo)航現(xiàn)在在臨床上用得并不是太廣，但在今后幾年，手術(shù)導(dǎo)航和增強現(xiàn)實會有很多發(fā)展和應(yīng)用。因為計算機視覺包括人工智能， 實時配準(zhǔn)，再加上增強現(xiàn)實算法，會有很大提高。它所要達到的境界可以用下面的視頻來演示。這是腎臟的局部腫瘤切除。該系統(tǒng)能把術(shù)前影像和術(shù)中視覺進行三維重構(gòu)和配準(zhǔn)。這不是一個簡單的組合，而是實時跟蹤的，腫瘤的邊界都能看得非常清楚。這套系統(tǒng)由帝國理工醫(yī)學(xué)院開發(fā)，已經(jīng)在臨床上有很多應(yīng)用，尤其是在微創(chuàng)泌尿外科。
現(xiàn)有手術(shù)機器人能夠應(yīng)對的適用癥并不是太廣，現(xiàn)在主要應(yīng)用于婦科和泌尿外科， 當(dāng)然還有骨科。在其他外科領(lǐng)域，并不是太多。對于手術(shù)機器人，尤其是需要精準(zhǔn)介入，比如心臟手術(shù)、腦神經(jīng)外科和顯微手術(shù)，更需要機器人。但是，在這些領(lǐng)域，機器人的發(fā)展并不太成熟。在手術(shù)機器人領(lǐng)域，美國的確走在了我們前面，尤其是Intuitive Surgical。它的下一代產(chǎn)品（達芬奇SP) 已經(jīng)經(jīng)歷了多年的臨床研究。它主要用于單孔微創(chuàng)手術(shù)，也快要推向市場了。
那么市場怎么樣？全世界在用的達芬奇系統(tǒng)機器人大概有4000多臺。大家可以想想，中國有多少三甲醫(yī)院，所以市場只是剛剛開始，前途非常可觀。因為這個原因，世界各地許多初創(chuàng)公司也象雨后春筍一樣發(fā)展起來。尤其在北美、歐洲，現(xiàn)在在國內(nèi)也有很多投資公司或者初創(chuàng)公司在布局這一領(lǐng)域。
從今后的發(fā)展方向來看，我覺得我們對機器人的發(fā)展要做一些思考。今后的手術(shù)機器人是應(yīng)該發(fā)展得又貴、又大、又強還是又小、又靈巧、又智能？應(yīng)該朝怎樣的方向發(fā)展？是把價格做得更高？還是把設(shè)備做得更普及，讓大眾受惠？
《科學(xué)》機器人子刊在今年3月時，對今后手術(shù)機器人的發(fā)展做了一些闡述。實際上，在自動駕駛領(lǐng)域，已有相對應(yīng)的發(fā)展定位。我們把醫(yī)用機器人分成6級。 初級也就是0級——醫(yī)生往哪里指，手術(shù)機械臂就往哪里走，并不存在智能功能。第五級是全智能的手術(shù)機器人——這時完全用不著醫(yī)生，機器人可以自動診斷，自動進行手術(shù)的一切步驟。第五等可能實現(xiàn)嗎？病人接受得了嗎？在法律和倫理方面，能不能通過？也是值得思考的問題。
我個人認(rèn)為，在我有生之年，第五級機器人實現(xiàn)的可能性并不大。在研究和產(chǎn)業(yè)方面，1、2、3、4級醫(yī)用機器人更現(xiàn)實。我們要布局在哪一級？與國內(nèi)臨床需求能不能結(jié)合？能否通過法律和倫理？這是我們需要考慮的問題。
第1級機器人可以做一些簡單的輔助。比如在手術(shù)過程中如何規(guī)避大血管和重要的神經(jīng)系統(tǒng)。第2級手術(shù)機器人可以自動完成醫(yī)生指定的一小步驟。比如，把血管或其他器官組織進行縫合。縫合往往是機械、重復(fù)的步驟，將來完全可以讓機器人去做。到了第3級，手術(shù)機器人就可以把手術(shù)當(dāng)中的一個步驟自動做了，當(dāng)然還完全在臨床醫(yī)生的掌控之中。第4級手術(shù)機器人的水平就可達到一般外科醫(yī)生了，但它還沒有對術(shù)中復(fù)雜、突發(fā)事件的應(yīng)對能力，所以還需要有有經(jīng)驗的醫(yī)生在旁邊看著，以防不測。第5級也就是最高級，它完全就象一個主任醫(yī)生了，可以全自動進行手術(shù)，無需人為干預(yù)。今后25年，機器人會逐漸走向更智能化。機器人和智能結(jié)合起來，這是一個非常好的場景。
今后如果我們要在技術(shù)方面布局，也是從1到2、到3、4級去開發(fā)，就需要人機合一。 這是我們研發(fā)的一個機械臂，從運動阻力方面看，它是“透明”的，剛?cè)岵⒕撸脮r，用很小的力，甚至用羽毛就能推動它。所以在安全性、可靠性、靈巧性上，有非常好的性能。
談到人機合一，機器和人怎樣才能有效協(xié)作？一個智者，更多時間是觀察、理解人家怎么說，怎么做，而不是自己在滔滔不絕的說或一意孤行的做。
1960年，英國一個著名的神經(jīng)外科醫(yī)生 William Grey Walter，把電極移植到大腦皮層，通過思維運動進行控制。當(dāng)然這對正常的人機交互不現(xiàn)實，把電極移植到自己的大腦皮層，任何醫(yī)生也都不會答應(yīng)。其它有什么方法呢？我們可以用大腦功能影像或EEG， MEG，和fNIRS。
有一句話叫做“眉頭一皺，計上心來”。這是什么概念？我們平時不思考時，大腦前額皮層基本沒有什么信號，但是要做一些比較復(fù)雜的事情時，這里大腦皮層的活動就很多。這有什么作用？比如，醫(yī)生在做一個非常復(fù)雜的手術(shù)，同時大腦皮層被機器人監(jiān)控。醫(yī)生如果覺得難度很大，感到非常緊張，大腦前額皮層就會呈現(xiàn)出非常多的活動，這時機器人進行的輔助就要多一點，讓醫(yī)生把動作慢下來，進行提示和幫助。如果做手術(shù)的時候得心應(yīng)手，就不需要機器人介入。當(dāng)然這些現(xiàn)在還只限于基礎(chǔ)研究，要把它真正用在手術(shù)室內(nèi)用于人機交互還不現(xiàn)實。
人機合一，一定要是人跟機器人之間進行有機結(jié)合。這是我們實驗室通過 EEG, 完全用想象來控制一個機器人的行走。
當(dāng)然，做手術(shù)時場景更復(fù)雜。究竟能不能通過觀察，理解外科醫(yī)生的做法，把他腦子里想什么、想做什么挖掘出來？這就是今后人機交互中很好的研究方向之一。
一種比較可行的辦法是通過眼動儀來實現(xiàn)。眼動儀把紅外光打在眼球上，通過反光， 計算亮點和瞳孔之間的相對距離，可以把你看的方向和注意點測出來。現(xiàn)在眼動儀可以和計算機屏幕結(jié)合起來，或者用在手機上，臨床上測試也有很多應(yīng)用。
現(xiàn)在我來做一個實驗，在這張圖片里，有很多方塊，每一個方塊里有兩種顏色，在圖中只有一個是黃綠相配，大家找找看。
（編者注：實驗進行了三次，每一次圖片的方塊數(shù)量比之前一張多）
我問大家一個問題，你在找的時候，怎么找？用了什么策略？為什么第二次比第一次做得好？當(dāng)然是學(xué)得越多做得越快。但在查找當(dāng)中你應(yīng)用了什么策略？是潛意識還是有意的？先看看我的博士生是怎么找的？他找第二個和第一個的時候，看似相差很大，其實搜索策略實際上沒有改變。人眼看一張圖片，100毫秒之內(nèi)眼睛怎么動，怎么搜索已經(jīng)馬上決定了，這叫并行檢索。眼睛是不動的，整個情況全局概念有了，然后就是一個點一個點進行掃描。人眼在識別時，在每一個點要停留100毫秒左右，才能辨別細(xì)節(jié)。 因為第一張圖片整個顏色差不多，有黑、黃、綠、紅，這時沒有更好的策略，你可以隨機做或者一行一行掃下來，這也是不錯的策略。到第二幅，他在100毫秒里馬上做出決定，因為整個圖片綠色不多，而我們要找的圖案黃綠相間，那么我把所有含綠色的方塊都掃一遍，肯定能很快找到最后的目標(biāo)。這就是他的策略。
這樣的研究對于手術(shù)有什么用？剛才提到，AESOP系統(tǒng)用語音控制內(nèi)窺鏡，手術(shù)室聲音嘈雜，不好用。如果利用你的視覺信息，內(nèi)窺鏡怎么移動就可以全自動化，隨你意愿而控制。因為我知道你想看哪里，下一步怎么走，都理解到了。這是我們的一套機器人演示系統(tǒng)，這里有一個眼動儀，做的時候一直測量醫(yī)生的眼動。面對不同的醫(yī)生，機械臂會有不同的反應(yīng)，好像知道你想怎么做，知道怎么幫助你，聚焦在最好視野。我第一次試用這個系統(tǒng)時，非常驚訝，感覺機器人一下活了起來，這就是今后機器人怎樣能理解操作者，變得智能化。
剛才提到，現(xiàn)代手術(shù)機器人有許多可以改進的地方，比較笨重，不智能化。第一，怎樣把它智能化？這是我們做的一套系統(tǒng)，很小。這是它的超柔臂，也可以做單孔、多孔，和經(jīng)自然腔道。由于腔道非常狹窄，要進行非常精細(xì)的手術(shù)操作比較難。我們也有蛇形手術(shù)機器人。通過柔性、蛇形機器人進入體內(nèi)，把內(nèi)窺鏡做得非常柔軟，但又完全可控。
因為好多疾病源于自然腔道，對疾病的早期治療很有前景。 蛇形機器人可以把影像加進去，比如磁共振，超聲，CT斷層掃描，也可以把細(xì)胞層面結(jié)合起來，比如顯微影像。這是共聚焦成像，進行光活檢。今后的醫(yī)學(xué)一定是早期診斷早期治療，輔以精準(zhǔn)手術(shù)。早期病灶往往非常小，利用手術(shù)機器人加上影像，一邊手術(shù)邊，一邊實時把腫瘤邊界檢測出來。今后手術(shù)中看見的不會是非常大的器械，而是非常靈巧、無處不在的機器人手術(shù)器械。
最后，要強調(diào)的是：25年之前，手術(shù)機器人的確是一個新興事物，這一階段的主要目的是如何把手術(shù)機器人用起來，解決一些問題。今后25年，手術(shù)機器人的發(fā)展方向是：第一，智能化。所謂的智能化并不是簡單的用人工智能能解決，一般人工智能解決不了的問題，就用深度學(xué)習(xí)。深度學(xué)習(xí)在手術(shù)應(yīng)用上要比較注意，因為每個人的病癥不一樣， 體內(nèi)環(huán)境不一樣，沒有 “大數(shù)據(jù)”去提供機器學(xué)習(xí)、訓(xùn)練。 機器人的智能更多在于人和機器的有機結(jié)合。人和機器兩者結(jié)合，互相理解，智能連接。第二，機械方面，如何把機械臂做小，做精密，剛?cè)岵⒕撸@是今后值得做的東西。第三，傳感影像結(jié)合起來，包括力、觸覺反饋和顯微實時影像。
如果能把這幾點做好，做精了，今后25年，手術(shù)機器人在臨床上會用得越來越多，因為它能解決一些現(xiàn)在不可解決的問題。臨床上也能夠助力發(fā)展精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)。在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中，精準(zhǔn)手術(shù)會先行一步，這一切需要手術(shù)機器人、影像、傳感、人工智能、計算機視覺全面發(fā)展，也需要大家一起研究、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)化、和臨床推廣上協(xié)作努力。
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