AI賦能醫(yī)療，手術(shù)機器人“智商”可以有多高？
2022.09.11在世界人工智能大會上奪人眼球的醫(yī)療機器人，正迎來更寬闊的發(fā)展跑道。
AI賦能醫(yī)療，手術(shù)機器人“智商”可以有多高？
■齊鵬
在今年的世界人工智能大會上，醫(yī)療機器人表現(xiàn)搶眼。上海研發(fā)的多臂腔鏡手術(shù)機器人斬獲大會最高榮譽SAIL獎，智能咽拭子采集機器人、智能外骨骼機器人、膝關(guān)節(jié)手術(shù)機器人、血管介入機器人等設備的亮相，令人們對未來更精準、高效、安全的智能化醫(yī)療產(chǎn)生更多期待與遐想。
作為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，醫(yī)療機器人的設計制造應用需要多學科融合發(fā)展的推動。從專業(yè)角度來看，今天我們所見的醫(yī)療機器人的智能化水平，實際上還有相當大的提升空間。然而，接受完全可替代醫(yī)生的機器人，我們真的準備好了嗎？
醫(yī)療機器人是高端智能醫(yī)療裝備的代表。經(jīng)過近40年的發(fā)展，它們已成為越來越受醫(yī)生歡迎的手術(shù)助手。我國醫(yī)療機器人的科研與產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷20多年發(fā)展后，也呈現(xiàn)出“遍地開花、爭相斗艷”的態(tài)勢。在全球后疫情時期，“大健康”產(chǎn)業(yè)進入了快速發(fā)展期，醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展既面臨重大機遇，又面臨極大挑戰(zhàn)，醫(yī)療機器人也迎來了更寬闊的發(fā)展跑道。
劃時代序幕 手術(shù)臺出現(xiàn)機器人
按照醫(yī)療機器人應用的場景不同，醫(yī)療機器人一般可分為醫(yī)院自動化設備、手術(shù)機器人、康復與輔助機器人三大類。其中，手術(shù)機器人是醫(yī)療機器人領(lǐng)域的核心，其技術(shù)要求和門檻都是最高的。
一般認為，首次將機器人技術(shù)與手術(shù)場景相結(jié)合是在1985年。這一年，美國洛杉磯醫(yī)院工業(yè)機器人PUMA 560被應用于神經(jīng)外科顱內(nèi)活檢，實現(xiàn)了機器人輔助定位下的精準采樣。這一探索性的大膽嘗試，拉開了機器人作為智能手術(shù)工具的劃時代序幕。
1992年，IBM與美國加州大學合作研發(fā)的ROBODOC骨科機器人誕生。它可協(xié)助外科醫(yī)生進行髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)，也成為首個獲得FDA（美國食品藥品監(jiān)管局）批準的手術(shù)機器人。
上世紀90年代中期，歐美等發(fā)達國家迎來了手術(shù)機器人領(lǐng)域的產(chǎn)品突破期。由美國斯坦福研究所成立的Computer Motion公司開發(fā)出的自動內(nèi)窺鏡優(yōu)化定位系統(tǒng)（AESOP）實現(xiàn)了手術(shù)機器人的商業(yè)化。這款機器人可由醫(yī)生通過聲音指令控制機器人手臂，操縱內(nèi)窺鏡攝像機來輔助腹腔鏡手術(shù)，從而避免了扶鏡手生理疲勞造成的鏡頭不穩(wěn)定。
2000年，在以上前期研究基礎上，美國直覺外科公司根據(jù)腹腔鏡手術(shù)臨床需求，對AESOP機器人系統(tǒng)進行重新設計，研發(fā)出一款通用型的手術(shù)機器人系統(tǒng)，即達芬奇機器人，并獲得FDA批準。
21世紀之前，我國在手術(shù)機器人方面的研發(fā)尚處于起步階段。從時間軸上看，我國手術(shù)機器人的發(fā)展較歐美等發(fā)達國家滯后十年左右。但是，我國手術(shù)機器人的研究在醫(yī)工合作下成為后起之秀，也在很多關(guān)鍵技術(shù)上呈現(xiàn)出另辟蹊徑的特色，并在近十多年間出現(xiàn)了多類產(chǎn)品的突破發(fā)展。
與此同時，國內(nèi)大量的臨床需求吸引了國外手術(shù)機器人公司紛紛將目光投向中國市場。國外產(chǎn)品在進入國內(nèi)市場的同時，也會進一步與國內(nèi)臨床醫(yī)生的手術(shù)范式習慣相融合，并在功能上進行調(diào)整。目前，已有一些國外手術(shù)機器人公司與國內(nèi)高校、研究機構(gòu)、醫(yī)院和企業(yè)開展合作，聯(lián)合建立研發(fā)中心，助推新一代手術(shù)機器人的升級發(fā)展。
而今，盡管國外手術(shù)機器人在全球市場依然占據(jù)主導地位，但未來國內(nèi)科研機構(gòu)和企業(yè)的發(fā)展?jié)摿Σ蝗菪∮U。
微創(chuàng)而精準 “醫(yī)生助手”日益智能
手術(shù)機器人經(jīng)歷了好幾個發(fā)展階段，即從最初的工業(yè)機器人遷移應用，到通用型手術(shù)機器人，后又進一步演化為多種面向不同術(shù)式的專用型手術(shù)機器人。
按照手術(shù)對象，手術(shù)機器人一般可分為硬組織機器人、軟組織機器人等。也可通過更為直觀的分類方法，按照臨床應用領(lǐng)域劃分為骨科機器人、神經(jīng)外科機器人、腔鏡機器人、經(jīng)自然腔道機器人、血管介入機器人等。目前，進入臨床應用的手術(shù)機器人代表生產(chǎn)商主要集中在歐美，他們在中國的可及手術(shù)量均超過100萬例/年。
主從式是目前手術(shù)機器人實施手術(shù)的主要操作模式。主從式操作系統(tǒng)由一臺主處理機記錄、控制其他從處理機的狀態(tài)，并分配任務給從處理機。達芬奇手術(shù)機器人就是這種主從式操作模式。它主要由三個部分組成：外科醫(yī)生控制臺、床旁機械臂系統(tǒng)、成像系統(tǒng)。
通過控制臺，醫(yī)生可對床旁機械臂系統(tǒng)實施“一對一”映射性操作。由于醫(yī)生可以坐著完成手術(shù)，不易疲勞，時間長、高難度的復雜手術(shù)會變得更加輕松。這種“手眼同軸”的便利，使得外科醫(yī)生能夠更加自然順暢地進行微創(chuàng)手術(shù)的精細操作。
另外，達芬奇機器人還有兩個優(yōu)勢：一是成像系統(tǒng)可提供清晰放大的3D視野，有效手術(shù)視野范圍大，其視覺輔助功能可幫助醫(yī)生更好地對病灶處開展手術(shù)；二是配套有多種具有七個自由度且可轉(zhuǎn)腕的手術(shù)器械，帶有動作縮放功能，讓醫(yī)生在狹窄腔體內(nèi)的操作更加靈活、精準，并且避免了醫(yī)生術(shù)中的手部顫抖。
隨著機器人技術(shù)與人工智能的發(fā)展，手術(shù)機器人的智能化水平被賦予了更多期待。業(yè)界學者曾類比自動駕駛技術(shù)分級，對手術(shù)機器人的自主化水平進行了0至5級的劃分。
從0級沒有任何自主化，到最高5級機器人可完全取代醫(yī)生，手術(shù)機器人的發(fā)展還有漫漫長路。目前，全球應用最為廣泛的達芬奇手術(shù)機器人所代表的還只是0級，美國史賽克公司的MAKO交互式骨科機器人則達到了自主化1級。
目前，自主化2級手術(shù)機器人正受到越來越多科研人員的關(guān)注。美國約翰斯·霍普金斯大學和美國國立兒童醫(yī)院聯(lián)合開發(fā)了一種監(jiān)督式的自主軟組織手術(shù)機器人，它可在醫(yī)生指出需要縫合的位置自主進行縫合，醫(yī)生也可在必要時進行干預。
需要指出的是，完全自主化的5級目前屬于“科幻級”的設想。由于當前手術(shù)機器人的研究都是以“醫(yī)生助手”為目標，故而與之相關(guān)的倫理、法律、安全性等將是一系列大問題。
“小而美”出道 顛覆傳統(tǒng)形象認知
立足當下展望未來，手術(shù)機器人的發(fā)展趨勢是將術(shù)前、術(shù)中的影像相融合，以進一步提高手術(shù)精準程度，同時結(jié)合現(xiàn)實增強可視化技術(shù)，通過“穿透視覺”的方法，讓醫(yī)生在形狀、位置、觸覺等多傳感信息的反饋融合下，實現(xiàn)精準定位操控，更方便地完成手術(shù)。為了實現(xiàn)這一目標，諸如人工智能實時計算、交互力觸覺以及人體復雜柔性環(huán)境識別等一系列關(guān)鍵技術(shù)還有待突破。
在手術(shù)機器人的本體創(chuàng)新上，各類不同形態(tài)的手術(shù)機器人層出不窮，逐步呈現(xiàn)出輕量化、小型化、專用化等特色，令人耳目一新。
國內(nèi)手術(shù)機器人公司可在這方面著力突破。手術(shù)機器人的靈感源頭往往來自臨床，臨床醫(yī)生可以結(jié)合多年經(jīng)驗提出很多好想法。同時，輕量化、小型化設計的手術(shù)機器人尤其適合初創(chuàng)公司開發(fā)、生產(chǎn)，此類產(chǎn)品的開發(fā)更有利于推動醫(yī)工結(jié)合，以醫(yī)生為主體實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。
在專用化的發(fā)展趨勢之下，“小而美”的手術(shù)機器人可能會給醫(yī)生帶來不同以往的使用體驗。傳統(tǒng)手術(shù)機器人往往體積龐大，術(shù)前準備、術(shù)后消毒整理等繁雜流程一定程度上限制了其高效使用。未來的手術(shù)機器人將朝著“身材”小巧不占空間、易于處理、“一次完成”的方向“進化”，或?qū)㈩嵏参覀儗κ中g(shù)機器人的傳統(tǒng)形象認知。
隨著智能水平的不斷提升，手術(shù)機器人在發(fā)展理念上也開始越來越多地關(guān)注人機交互問題。這種人機交互既包括物理層面，也包括信息和數(shù)據(jù)流方面的有效互通，“協(xié)作”成為手術(shù)機器人乃至整個機器人應用方向上一個時髦的關(guān)鍵詞。當然，這也是一個技術(shù)難點。值得高興的是，醫(yī)生、病患乃至普通公眾對醫(yī)療機器人的熱情，也體現(xiàn)了人類對機器智能的信賴程度正在不斷提高。
科幻級智能 有待社會倫理準備
隨著醫(yī)學技術(shù)的發(fā)展，臨床上對疾病的診斷越來越早，干預也愈發(fā)精準，這對診療手術(shù)器械提出了更高要求。
當前，我們談及的手術(shù)機器人操作精度都是毫米級、亞毫米級，今后的機器人顯微手術(shù)操作精度會達到微米級。在這種情況下，微型器械的制造將成為一個很大的挑戰(zhàn)。
微納機器人與醫(yī)療結(jié)合是一個前沿的研究方向。微納機器人是指機器人的運動及檢測精度可達到微米和納米級別。而且，這種機器人是一個三維結(jié)構(gòu)，需要從納米尺度開展制造。
起初，微納機器人只是一個較為科幻的概念，距離臨床的真實需求還相當遙遠，其設計主要用于藥物遞送和細胞操作?？茖W家們通過化學能、磁能、光能、聲能、熱能等各種供能方式，讓這些人工制造的“機器人”在微納米尺度運動起來。
在醫(yī)療上，我們期待微納機器人能夠開展更早期的顯微干預，并集成傳感和驅(qū)動，更好地完成微量或精準的疾病治療。微納機器人等具備精準操作本領(lǐng)的手術(shù)機器人將會對精準醫(yī)療的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。
屬于高端醫(yī)療裝備的醫(yī)療機器人，其發(fā)展需要匯集各方資源，開展廣泛合作。例如，醫(yī)療機器人的研究中包含很多科學問題有待科學家去解決，也需要產(chǎn)學研的協(xié)同去完成一些前沿技術(shù)的應用。當然，相關(guān)政策和資金投入也非常關(guān)鍵，需有長期投資的理念和培育的眼光。
毋庸諱言，醫(yī)療機器人在走向產(chǎn)品落地的過程中會遇到各種復雜問題，也存在很多不確定的安全、倫理等風險。過去三十年，醫(yī)療機器人融合電子器械、影像等相關(guān)技術(shù)，不斷推進AI賦能醫(yī)療。未來三十年，不斷進階的智能化將是醫(yī)療進步的重要推手。
?。ㄗ髡邽橥瑵髮W電子與信息工程學院副教授）