近幾年，醫(yī)療市場對于手術機器人的需求持續(xù)增長，國內(nèi)外多家巨頭企業(yè)紛紛布局手術機器人市場，達芬奇手術機器人原一家獨大的壟斷局面逐步被打破。在資本的推動下，手術機器人在技術上不斷取得新的進展，胸腔和腹腔鏡手術機器人技術逐步成熟。

腔鏡手術機器人被譽為“醫(yī)療器械領域的航空母艦”，是目前手術機器人領域系統(tǒng)極為復雜、技術難度極大、臨床與商用價值極高的研發(fā)方向之一。在腹腔手術中，由于目標組織的進入和可見度有限，加上呼吸運動造成的偽影干擾，手術難度極大。

近日，來自約翰·霍普金斯大學的一個研究團隊設計出一款智能組織自主機器人 STAR，該機器人在沒有人類指導的情況下，成功完成對一頭豬的軟組織腹腔鏡手術。

相關研究以“Autonomous robotic laparoscopic surgery for intestinal anastomosis”為題，發(fā)表在科學期刊 Science Robotics 上。

該研究實現(xiàn)了使用智能組織自主機器人（STAR）執(zhí)行機器人腹腔鏡小腸吻合術所需的增強自主性，并且能夠在腹腔鏡下實施增強的全吻合自主操作，標志著機器人技術向人類全自動手術邁出的重要一步。

圖注：機器人在沒有人類幫助的情況下對豬的軟組織進行了腹腔鏡手術

該研究的作者之一、約翰·霍普金斯大學懷特工程學院機械工程助理教授 Axel Krieger 說：“我們的研究結果表明，我們可以將外科手術中最復雜、精細的任務之一實現(xiàn)自動化——重新連接腸道的兩端。STAR 在四只動物身上進行了手術，明顯比醫(yī)生進行同樣的手術效果要好。”

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首個在軟組織中完成吻合術的自主手術機器人

外科手術機器人的發(fā)展已有多年，但多以輔助型手術系統(tǒng)為主，如處于世界尖端水平的達芬奇手術機器人，由外科醫(yī)生控制機器人輔助進行手術，系統(tǒng)雖具有極高的精準性，但在實現(xiàn)自主手術上仍面臨相當大的挑戰(zhàn)。

自主軟組織手術要求手術機器人具備準確可靠的成像系統(tǒng)，從而檢測和跟蹤目標組織，還需考慮軟組織變形給手術帶來的復雜度增加等因素，對機器人系統(tǒng)要求較高。腹腔鏡手術就是一個典型的應用場景，由于目標組織的進入和可見度有限，加上呼吸運動造成的偽影干擾，導致手術難度極大。在外科手術中，吻合術恰好是考察自主機器人手術系統(tǒng)進行軟組織手術的一個合適場景。該手術的目的是將軟組織的兩個斷端接起來，恢復連續(xù)的生理結構，如胃腸道吻合術、輸卵管吻合術、肌腱吻合術等。在技術上，涉及腔結構的近似和重建，對手術的可操作性和可重復性要求極高。盡管現(xiàn)有的自主手術機器人已取得明顯進步，但多數(shù)系統(tǒng)在復雜任務中仍表現(xiàn)出較低的自主性，對醫(yī)生的依賴性較高。在該研究中，Axel Krieger 等人設計了一款面向腹腔鏡手術場景的增強型自主 STAR 系統(tǒng)，并配備了專門的縫合工具和最先進的成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)使用近紅外標記，可跟蹤目標組織縫合過程的起點和終點，在手術過程中對血液和薄組織的閉塞具有較強的魯棒性，系統(tǒng)的自主性和手術精度得以增強。

圖注：加強自主腹腔鏡軟組織手術（A：STAR系統(tǒng)的組成部分，包括醫(yī)療機器人手臂、驅(qū)動的手術工具以及雙通道近紅外和三維結構光內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)；B：STAR的增強型自主控制策略的控制架構）

連接腸道的兩端可謂是胃腸手術中最具挑戰(zhàn)性的一步，需要外科醫(yī)生以高精度和一致性對腸道進行縫合，即使是手術中最輕微的手部顫抖或錯位的縫線，均可能導致腸道內(nèi)分泌物的泄漏，為患者帶來災難性的并發(fā)癥。

研究人員使用 STAR 在豬小腸上進行體內(nèi)腹腔鏡自主手術。術前，操作員通過圖形用戶界面啟動 STAR ，系統(tǒng)自主生成縫合算法并實施縫合任務。在縫合過程中，操作員會在 STAR 執(zhí)行縫線計劃之前通過 GUI 對縫合步驟進行微調(diào)，但大部分工作流程都是以自主方式完成的。

在腹腔鏡手術期間，由于豬的呼吸和其他組織運動會導致手術目標組織的運動，給手術增加難度。為此，研究人員開發(fā)了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡和近紅外攝像機反饋的機器學習算法，來跟蹤手術期間目標組織的運動。

Krieger 說：“軟組織手術對機器人來說尤其困難，因為它的不可預測性迫使它們能夠快速適應以應對意外的障礙。STAR 是一個新穎的控制系統(tǒng)，可以像外科醫(yī)生一樣實時調(diào)整手術計劃。STAR 的特別之處在于，它是首個在軟組織中自主規(guī)劃、調(diào)整和執(zhí)行手術計劃的機器人系統(tǒng)，且手術過程中人工干預最少。”

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縫合技術可與外科醫(yī)生相媲美

為檢測手術效果，研究人員對小豬進行了為期 1 周的術后存活期監(jiān)測，并進行了有限的尸檢。生存研究結果表明，STAR 系統(tǒng)可以在無泄漏吻合和管腔通暢等指標上與專家外科醫(yī)生的表現(xiàn)相媲美，系統(tǒng)甚至表現(xiàn)出更高的一致性水平。

圖注：體內(nèi)實驗結果（A：用 STAR（n = 4）和手動腹腔鏡對照試驗（n = 1）操作的每個吻合口組織的代表性組織學例子；B) PMN 細胞作為每個樣本的炎癥的代用指；C：尸檢時收集的吻合口的代表例子，用于 STAR 和對照測試。）

盡管該研究取得了突破性的進步，但在手術技術和效果上還存在一定的局限性。如，機器人控制算法的成功實施取決于目標組織在某個工作區(qū)域的可達性等因素，STAR 機器人、手動腹腔鏡手術和遙控達芬奇手術的比較是在幻影組織上進行的，而體內(nèi)研究不可能使用基于達芬奇的測試臂。

研究人員表示，在未來的研究中，將集成和測試無標記組織跟蹤技術，將相機系統(tǒng)簡化為內(nèi)窺鏡，并增加觸覺傳感器，進一步提高系統(tǒng)的自主性，加快機器人完成手術的時間。

盡管在復雜和不可預測的手術場景中無法消除人工監(jiān)督的作用，但 STAR 系統(tǒng)可有效降低由于醫(yī)生在醫(yī)學經(jīng)驗和能力上的個體差異導致的手術風險，并提高手術安全性和手術結果的一致性。