证明外科机器人的临床能力,先从缝合两段猪大肠开始 | 日日黑科技

证明外科机器人的临床能力,先从缝合两段猪大肠开始 | 日日黑科技
2017年11月14日 13:15 钛媒体

想象一下,此时你正平躺在手术台上,等待着外科医生们把一枚肿瘤从你身体中移除。毋庸置疑,你会希望医生有着精湛的技术,既要尽可能精确的切割掉肿瘤以绝后患,又能尽可能多的保留你身上的健康组织。

这种情况下,或许你更好的选择不是一名专业的人类外科医生,而是名为STAR(Smart Tissue Autonomous)的智能机器人。

经历了一系列实验测试后,STAR的发明者们在2017年机器人会议IROS上宣布,相较于外科医生,STAR能够在确保进行精准的手术切割的同时,尽可能少的伤及周边皮肤。

“我真心认为这就是外科手术的未来。”来自马里兰大学机械工程系的助理教授、该项研究的共同研究者Axel Krieger说道。

“我相信这(外科手术机器人的运用)在初始阶段只会用来取代部分外科手术,但随着技术的发展其功能将越来越完善”,Krieger告诉IEEE Spectrum的记者,“这和自动驾驶汽车类似:最开始只是对一些小功能—例如辅助刹车—进行了自动化,随着时间的推移,更多功能慢慢也变得自动化了。如果外科手术机器人能够得以充分开发和试验,那么我在自己进行手术的时候,绝对会充分信任这样的机器人。”

STAR早前就已经取得了引人瞩目的外科手术壮举。在2016年,STAR成功缝合了两段猪大肠;相较于老练的外科医生,其缝合处更加整齐严密。

为了现阶段的研究,研究人员们前往一家肉店购买了三种类型的猪肉组织:外皮,脂肪以及肌肉。在同外科医生较量之前,STAR需要先在这三种不规则的软组织上进行精准的切割。之所以选用这三种猪肉组织是因为它们对于切割工具会产生一些阻抗,从而使得准确的切割变得更加不易。

为完成这一工作,STAR通过视觉追踪其预定切割路线和工具,依据情况即时调整自己的移动方案。

在视觉追踪的过程中,机器人主要依赖于先前研究人员们在组织上放置的标识。这些标识可以在机器人的近红外线摄像头中显示出来,帮助其工作。因此,研究人员们也把STAR成为半自动机器人。“在我们设置好这些标识后,机器人就会自动地开始进行肿瘤切割。”Krieger解释说。

在下面播放的短片中,STAR从三十五秒开始展示了如何利用高温的电外科工具切割开上面提到的三种猪肉组织。而在影片中所出现的人手,仅仅是在握着真空吸尘器清除切割产生的烟雾。对此,Krieger解释道,“燃烧的脂肪以及组织产生的气味,可以变得非比寻常的难以忍受。”

在确保整个系统完全可以胜任切割工作后,Krieger和他的同事们便安排了STAR与外科专家的正面交锋:在猪皮上进行切割较量。(这部分在短片里,出现在1分零10秒)

在这次对决中,机器人和专家都被要求切开一条长5厘米的直线。由于外科医生通常在培训中,是依据一些已知的地标性部位—而非绝对的距离—来进行切割的,参考线随即被绘制在猪皮表面。一部分外科医生是通过开放手术的方式来进行的;另一部分则是通过一处微创伤口插入工具、进行腹腔镜手术。

用以评判机器人和专家医生的标准包括:他们各自偏离了理想的切割路径多远,以及他们的手术波及了切口周边多大的面积。依据这两项指标,最后的结果显示,STAR距离理想切割线更近,且伤及范围更小。

在实验的最终阶段,研究人员将任务再次升级:他们让STAR从一块猪肉脂肪中切除一枚人造的肿瘤(由黏土制成);同时,为增加这项任务的难度,他们还在人造肿瘤的上方覆盖了一片组织薄片,以混淆STAR。随即,他们在人造肿瘤的周边做好标记并指导STAR以4毫米为边距进行切除。而STAR则再次证明了自己:它精准的切割,足以让它成为癌症患者们的吉兆。

Krieger提到,下一阶段他们将训练STAR去处理更加困难且复杂的3D形状的肿瘤。为实现这一目标,研究团队将需要开发用于视觉追踪的新型摄像头,以及更加精密的外科手术计划软件。

在发表的论文中,研究人员称机器人是具有实际的临床潜力的。如今,尽管外科医生通常是在肿瘤周边用墨水进行标记,这一步骤完全可以用机器人所能识别的红外线标识所替代,从而让机器人进行“代班”。如果物理学家们希望将STAR变为完全自动化的机器人,那么它便能够通过CT和MRI扫描获取肿瘤位置的相关信息。那么,这也将意味着,STAR会成为OR领域的新星。(本文首发钛媒体,编译自spectrum,译者:马若冰)

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