由于技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療手術(shù)在過(guò)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(jìn)展。比如，1967年人類實(shí)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(shí)現(xiàn)整體臉部置換手術(shù)。

在過(guò)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?cè)谧鍪中g(shù)之前，對(duì)整個(gè)手術(shù)已有非常好的判斷。怎么做、如何到達(dá)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(gè)缺點(diǎn)就是操作相對(duì)困難。為了解決這些問(wèn)題，在九十年代，手術(shù)機(jī)器人開(kāi)始得到推廣。手術(shù)機(jī)器人有哪些優(yōu)點(diǎn)？主要可以解決微創(chuàng)手術(shù)三個(gè)問(wèn)題。

第一，進(jìn)行精致操作時(shí)，眼睛和手的運(yùn)動(dòng)兩個(gè)軸之間最好要重合，如果眼睛看一個(gè)地方，手往另外一個(gè)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(dòng)作可以同時(shí)放大并且除顫。今后，機(jī)器人可以通過(guò)自然腔道進(jìn)入人體，并且會(huì)有很多顯微手術(shù)可用機(jī)器人做。

二十五年手術(shù)機(jī)器人之變

早在九十年代， 美國(guó)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(guò)語(yǔ)音識(shí)別來(lái)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(jī)械臂，眼睛的軸跟動(dòng)作的軸重合，并且視野和運(yùn)動(dòng)同時(shí)放大，以便于操作細(xì)微手術(shù)。 達(dá)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(guò)去二三十年，手術(shù)機(jī)器人已從一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)發(fā)展成今天能進(jìn)行精密控制并且多人協(xié)作的系統(tǒng)。在手術(shù)機(jī)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(jī)器人。

現(xiàn)在，手術(shù)機(jī)器人發(fā)展日新月異。25年前，手術(shù)機(jī)器人是一新興的技術(shù)，現(xiàn)在，手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)逐漸普及。但是，它的問(wèn)題在于：第一，價(jià)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(jī)器人的市場(chǎng)依然被看好，手術(shù)機(jī)器人年均復(fù)合增長(zhǎng)率在13%左右，在 2020 年可能達(dá)到 180 億美元的市場(chǎng)規(guī)模，而這些都是相對(duì)比較保守的估算。

手術(shù)機(jī)器人的主要功能是什么

下面我把手術(shù)機(jī)器人主要功能給大家演示一下。實(shí)時(shí)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)會(huì)有很多發(fā)展和應(yīng)用。因?yàn)橛?jì)算機(jī)視覺(jué)包括人工智能， 實(shí)時(shí)配準(zhǔn)，再加上增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)算法，會(huì)有很大提高。它所要達(dá)到的境界可以用下面的視頻來(lái)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(jué)進(jìn)行三維重構(gòu)和配準(zhǔn)。這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的組合，而是實(shí)時(shí)跟蹤的，腫瘤的邊界都能看得非常清楚。這套系統(tǒng)由帝國(guó)理工醫(yī)學(xué)院開(kāi)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(jī)器人能夠應(yīng)對(duì)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(duì)于手術(shù)機(jī)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(jī)器人。但是，在這些領(lǐng)域，機(jī)器人的發(fā)展并不太成熟。在手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域，美國(guó)的確走在了我們前面，尤其是Intuitive Surgical。它的下一代產(chǎn)品（達(dá)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(chǎng)了。

那么市場(chǎng)怎么樣？全世界在用的達(dá)芬奇系統(tǒng)機(jī)器人大概有4000多臺(tái)。大家可以想想，中國(guó)有多少三甲醫(yī)院，所以市場(chǎng)只是剛剛開(kāi)始，前途非常可觀。因?yàn)檫@個(gè)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(lái)。尤其在北美、歐洲，現(xiàn)在在國(guó)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。

又貴、又大、又強(qiáng)還是又小、又靈巧、又智能？

從今后的發(fā)展方向來(lái)看，我覺(jué)得我們對(duì)機(jī)器人的發(fā)展要做一些思考。今后的手術(shù)機(jī)器人是應(yīng)該發(fā)展得又貴、又大、又強(qiáng)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(jià)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(jī)器人子刊在今年3月時(shí)，對(duì)今后手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展做了一些闡述。實(shí)際上，在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，已有相對(duì)應(yīng)的發(fā)展定位。我們把醫(yī)用機(jī)器人分成6級(jí)。 初級(jí)也就是0級(jí)——醫(yī)生往哪里指，手術(shù)機(jī)械臂就往哪里走，并不存在智能功能。第五級(jí)是全智能的手術(shù)機(jī)器人——這時(shí)完全用不著醫(yī)生，機(jī)器人可以自動(dòng)診斷，自動(dòng)進(jìn)行手術(shù)的一切步驟。第五等可能實(shí)現(xiàn)嗎？病人接受得了嗎？在法律和倫理方面，能不能通過(guò)？也是值得思考的問(wèn)題。

我個(gè)人認(rèn)為，在我有生之年，第五級(jí)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的可能性并不大。在研究和產(chǎn)業(yè)方面，1、2、3、4級(jí)醫(yī)用機(jī)器人更現(xiàn)實(shí)。我們要布局在哪一級(jí)？與國(guó)內(nèi)臨床需求能不能結(jié)合？能否通過(guò)法律和倫理？這是我們需要考慮的問(wèn)題。

第1級(jí)機(jī)器人可以做一些簡(jiǎn)單的輔助。比如在手術(shù)過(guò)程中如何規(guī)避大血管和重要的神經(jīng)系統(tǒng)。第2級(jí)手術(shù)機(jī)器人可以自動(dòng)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(jìn)行縫合?？p合往往是機(jī)械、重復(fù)的步驟，將來(lái)完全可以讓機(jī)器人去做。到了第3級(jí)，手術(shù)機(jī)器人就可以把手術(shù)當(dāng)中的一個(gè)步驟自動(dòng)做了，當(dāng)然還完全在臨床醫(yī)生的掌控之中。第4級(jí)手術(shù)機(jī)器人的水平就可達(dá)到一般外科醫(yī)生了，但它還沒(méi)有對(duì)術(shù)中復(fù)雜、突發(fā)事件的應(yīng)對(duì)能力，所以還需要有有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生在旁邊看著，以防不測(cè)。第5級(jí)也就是最高級(jí)，它完全就象一個(gè)主任醫(yī)生了，可以全自動(dòng)進(jìn)行手術(shù)，無(wú)需人為干預(yù)。今后25年，機(jī)器人會(huì)逐漸走向更智能化。機(jī)器人和智能結(jié)合起來(lái)，這是一個(gè)非常好的場(chǎng)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(jí)去開(kāi)發(fā)，就需要人機(jī)合一。 這是我們研發(fā)的一個(gè)機(jī)械臂，從運(yùn)動(dòng)阻力方面看，它是“透明”的，剛?cè)岵⒕撸脮r(shí)，用很小的力，甚至用羽毛就能推動(dòng)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(jī)合一，機(jī)器和人怎樣才能有效協(xié)作？一個(gè)智者，更多時(shí)間是觀察、理解人家怎么說(shuō)，怎么做，而不是自己在滔滔不絕的說(shuō)或一意孤行的做。

1960年，英國(guó)一個(gè)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(guò)思維運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。當(dāng)然這對(duì)正常的人機(jī)交互不現(xiàn)實(shí)，把電極移植到自己的大腦皮層，任何醫(yī)生也都不會(huì)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(jì)上心來(lái)”。這是什么概念？我們平時(shí)不思考時(shí)，大腦前額皮層基本沒(méi)有什么信號(hào)，但是要做一些比較復(fù)雜的事情時(shí)，這里大腦皮層的活動(dòng)就很多。這有什么作用？比如，醫(yī)生在做一個(gè)非常復(fù)雜的手術(shù)，同時(shí)大腦皮層被機(jī)器人監(jiān)控。醫(yī)生如果覺(jué)得難度很大，感到非常緊張，大腦前額皮層就會(huì)呈現(xiàn)出非常多的活動(dòng)，這時(shí)機(jī)器人進(jìn)行的輔助就要多一點(diǎn)，讓醫(yī)生把動(dòng)作慢下來(lái)，進(jìn)行提示和幫助。如果做手術(shù)的時(shí)候得心應(yīng)手，就不需要機(jī)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(jī)交互還不現(xiàn)實(shí)。

人機(jī)合一，一定要是人跟機(jī)器人之間進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。這是我們實(shí)驗(yàn)室通過(guò) EEG, 完全用想象來(lái)控制一個(gè)機(jī)器人的行走。

當(dāng)然，做手術(shù)時(shí)場(chǎng)景更復(fù)雜。究竟能不能通過(guò)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(lái)？這就是今后人機(jī)交互中很好的研究方向之一。

一種比較可行的辦法是通過(guò)眼動(dòng)儀來(lái)實(shí)現(xiàn)。眼動(dòng)儀把紅外光打在眼球上，通過(guò)反光， 計(jì)算亮點(diǎn)和瞳孔之間的相對(duì)距離，可以把你看的方向和注意點(diǎn)測(cè)出來(lái)?，F(xiàn)在眼動(dòng)儀可以和計(jì)算機(jī)屏幕結(jié)合起來(lái)，或者用在手機(jī)上，臨床上測(cè)試也有很多應(yīng)用。

現(xiàn)在我來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在這張圖片里，有很多方塊，每一個(gè)方塊里有兩種顏色，在圖中只有一個(gè)是黃綠相配，大家找找看。

（實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了三次，每一次圖片的方塊數(shù)量比之前一張多）

我問(wèn)大家一個(gè)問(wèn)題，你在找的時(shí)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(shí)還是有意的？先看看我的博士生是怎么找的？他找第二個(gè)和第一個(gè)的時(shí)候，看似相差很大，其實(shí)搜索策略實(shí)際上沒(méi)有改變。人眼看一張圖片，100毫秒之內(nèi)眼睛怎么動(dòng)，怎么搜索已經(jīng)馬上決定了，這叫并行檢索。眼睛是不動(dòng)的，整個(gè)情況全局概念有了，然后就是一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行掃描。人眼在識(shí)別時(shí)，在每一個(gè)點(diǎn)要停留100毫秒左右，才能辨別細(xì)節(jié)。 因?yàn)榈谝粡垐D片整個(gè)顏色差不多，有黑、黃、綠、紅，這時(shí)沒(méi)有更好的策略，你可以隨機(jī)做或者一行一行掃下來(lái)，這也是不錯(cuò)的策略。到第二幅，他在100毫秒里馬上做出決定，因?yàn)檎麄€(gè)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(duì)于手術(shù)有什么用？剛才提到，AESOP系統(tǒng)用語(yǔ)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(jué)信息，內(nèi)窺鏡怎么移動(dòng)就可以全自動(dòng)化，隨你意愿而控制。因?yàn)槲抑滥阆肟茨睦?，下一步怎么走，都理解到了。這是我們的一套機(jī)器人演示系統(tǒng)，這里有一個(gè)眼動(dòng)儀，做的時(shí)候一直測(cè)量醫(yī)生的眼動(dòng)。面對(duì)不同的醫(yī)生，機(jī)械臂會(huì)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(gè)系統(tǒng)時(shí)，非常驚訝，感覺(jué)機(jī)器人一下活了起來(lái)，這就是今后機(jī)器人怎樣能理解操作者，變得智能化。

手術(shù)機(jī)器人發(fā)展前沿

剛才提到，現(xiàn)代手術(shù)機(jī)器人有許多可以改進(jìn)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(jìn)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(jī)器人。通過(guò)柔性、蛇形機(jī)器人進(jìn)入體內(nèi)，把內(nèi)窺鏡做得非常柔軟，但又完全可控。

因?yàn)楹枚嗉膊≡从谧匀磺坏?，?duì)疾病的早期治療很有前景。 蛇形機(jī)器人可以把影像加進(jìn)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(lái)，比如顯微影像。這是共聚焦成像，進(jìn)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(jī)器人加上影像，一邊手術(shù)邊，一邊實(shí)時(shí)把腫瘤邊界檢測(cè)出來(lái)。今后手術(shù)中看見(jiàn)的不會(huì)是非常大的器械，而是非常靈巧、無(wú)處不在的機(jī)器人手術(shù)器械。

結(jié)語(yǔ)

最后，要強(qiáng)調(diào)的是：25年之前，手術(shù)機(jī)器人的確是一個(gè)新興事物，這一階段的主要目的是如何把手術(shù)機(jī)器人用起來(lái)，解決一些問(wèn)題。今后25年，手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展方向是：第一，智能化。所謂的智能化并不是簡(jiǎn)單的用人工智能能解決，一般人工智能解決不了的問(wèn)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?yàn)槊總€(gè)人的病癥不一樣， 體內(nèi)環(huán)境不一樣，沒(méi)有 “大數(shù)據(jù)”去提供機(jī)器學(xué)習(xí)、訓(xùn)練。 機(jī)器人的智能更多在于人和機(jī)器的有機(jī)結(jié)合。人和機(jī)器兩者結(jié)合，互相理解，智能連接。第二，機(jī)械方面，如何把機(jī)械臂做小，做精密，剛?cè)岵⒕?，這是今后值得做的東西。第三，傳感影像結(jié)合起來(lái)，包括力、觸覺(jué)反饋和顯微實(shí)時(shí)影像。

如果能把這幾點(diǎn)做好，做精了，今后25年，手術(shù)機(jī)器人在臨床上會(huì)用得越來(lái)越多，因?yàn)樗芙鉀Q一些現(xiàn)在不可解決的問(wèn)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(huì)先行一步，這一切需要手術(shù)機(jī)器人、影像、傳感、人工智能、計(jì)算機(jī)視覺(jué)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。