機(jī)器人第一次獨(dú)立手術(shù)！最快55分鐘縫合腸道，華裔教授帶隊(duì)研發(fā)，“結(jié)果顯著優(yōu)于外科醫(yī)生”

白交 2022-02-01 16:14:02 來源：量子位

楊凈 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

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， 這是朝著對人類進(jìn)行全自動手術(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

一直以來，軟組織手術(shù)對機(jī)器人來說尤其困難。

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)組織會有呼吸運(yùn)動的偽影干擾。

即便是最輕微的震動或錯位縫合，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由兩個醫(yī)用機(jī)械臂、電動縫合工具，以及NIR（近紅外成像）攝像機(jī)和一個3D單色內(nèi)窺鏡組成。

這個機(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)動方向。

整個網(wǎng)絡(luò)涵蓋4個卷積層、3個密集層和2個輸出。

卷積層和前三個密集層的激活函數(shù)是 Rectified Linear Unit (ReLU)，最后一個密集層的激活函數(shù)是SoftMax。

該網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練階段預(yù)測運(yùn)動曲線，準(zhǔn)確度達(dá)93.56%。

除此之外還有許多自主功能，包括啟動/暫停/解除組織跟蹤系，檢測軟組織的呼吸運(yùn)動及其變形，控制攝像機(jī)運(yùn)動，縫合規(guī)劃、預(yù)測工具與軟組織碰撞等。

如果 STAR 檢測到與當(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。有時候仍需要操作員手動微調(diào)機(jī)器人，以便出現(xiàn)漏縫時糾正定位。

（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，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)測縫合過程的每個子步驟，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在四只動物身上進(jìn)行了同樣的手術(shù)，整個手術(shù)時間大概在4小時，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。

在完成時間上可以看到，最短在1小時之內(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。

感興趣的旁友，可戳下方鏈接了解詳情。

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/