研究團隊提出新型持鏡機器人視覺追蹤模塊思路，助力精準(zhǔn)醫(yī)療

“盡可能少或小的創(chuàng)傷，使患者達(dá)到并保持最佳狀態(tài)”，是外科醫(yī)生不斷追求的目標(biāo)；“達(dá)到病人付出盡量小的代價而達(dá)到同樣良好的效果”，是醫(yī)學(xué)史上的永恒主題。公元前4世紀(jì)，古希臘醫(yī)學(xué)家Hippocrates曾告戒外科醫(yī)生“不要作得過多”。1987年，法國醫(yī)生Mouret偶然完成第一例微創(chuàng)切除膽囊手術(shù)，標(biāo)志著新的醫(yī)學(xué)里程碑的誕生，微創(chuàng)手術(shù)概念形成。隨著現(xiàn)代科學(xué)和醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，微創(chuàng)手術(shù)日益成熟完善，成為外科發(fā)展的必然趨勢和追求目標(biāo)，其中腹腔鏡手術(shù)是典型代表。

據(jù)統(tǒng)計，全球每年腹腔鏡手術(shù)超過750萬例，憑借其手術(shù)總體創(chuàng)傷小、術(shù)中出血少、術(shù)后恢復(fù)快疼痛輕等優(yōu)勢，已發(fā)展成為臨床中應(yīng)用廣、需求大、效果好的微創(chuàng)手術(shù)。在普外科手術(shù)領(lǐng)域，腹腔鏡手術(shù)已經(jīng)大范圍的普及推廣，從最初的膽囊切除術(shù)、闌尾切除術(shù)等，到后來的胃癌根治術(shù)、結(jié)直腸癌根治術(shù)、規(guī)則性半肝切除術(shù)等，現(xiàn)在幾乎涵蓋了普外科學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的所有手術(shù)。

如圖1所示，腹腔鏡手術(shù)中除了主刀醫(yī)生，必須配置一位持鏡手為主刀醫(yī)生提供相應(yīng)的照明和最佳的視覺反饋，因此持鏡手的工作非常重要，可謂主刀醫(yī)生的“眼睛”。但腹腔鏡手術(shù)過程中，持鏡手容易受疲勞、手部震顫、注意力分散等影響，乃至與主刀醫(yī)生有效溝通困難（尤其對于初學(xué)者），直接導(dǎo)致手術(shù)效率下降。

眾所周知，機器人具有定位精度高、響應(yīng)速度快、運動平穩(wěn)性強等優(yōu)勢，且不受情緒及疲勞等因素影響，為腹腔鏡手術(shù)中持鏡手所面臨的問題提供一種有效的解決方案——機器人換人。如圖2所示，腹腔鏡手術(shù)中，持鏡機器人取代持鏡手夾持腹腔鏡，并通過人機交互接口接收主刀醫(yī)生指令調(diào)節(jié)腹腔鏡位姿，可為主刀醫(yī)生提供穩(wěn)定的手術(shù)視野，輔助主刀醫(yī)生高效地完成腹腔鏡手術(shù)。

基于腔鏡圖像的主動式引導(dǎo)是持鏡機器人的人機交互接口發(fā)展趨勢，其核心為手術(shù)器械視覺追蹤?，F(xiàn)有的手術(shù)器械視覺追蹤方法大多借助人工標(biāo)記進(jìn)行手術(shù)器械追蹤，在手術(shù)器械操作末端附加顏色顯著的標(biāo)記物。但是這種方法對于通用手術(shù)器械并不適用，而且臨床需要增加額外殺毒滅菌流程，應(yīng)用范圍有限，因此無標(biāo)記手術(shù)器械視覺追蹤更具臨床普適性。

然而，術(shù)中腹腔環(huán)境復(fù)雜多變，腹腔鏡視野中無標(biāo)記手術(shù)器械精準(zhǔn)定位難度較大，且追蹤速度往往無法滿足主刀醫(yī)生對持鏡機器人的實時性要求，嚴(yán)重影響了主刀醫(yī)生的手術(shù)操作感，極大制約了持鏡機器人在臨床中的推廣與應(yīng)用。

根據(jù)上述原因，中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所高欣團隊嘗試人工智能賦能持鏡機器人，借助深度學(xué)習(xí)方法，融合區(qū)域分割思想與目標(biāo)搜索策略，提出了一種新型的全自動無標(biāo)記手術(shù)器械視覺追蹤方法。

所提方法通過構(gòu)筑輕量型的腹腔鏡圖像分割模型，快速提取腹腔鏡視野中手術(shù)器械不同部件區(qū)域，并且利用手術(shù)器械結(jié)構(gòu)特點，將手術(shù)器械關(guān)節(jié)作為追蹤靶點，然后結(jié)合腹腔鏡視野中手術(shù)器械運動特性，引入視覺追蹤過程上下文信息，最終實現(xiàn)無標(biāo)記手術(shù)器械的精準(zhǔn)跟蹤。

圖3腹腔鏡手術(shù)視頻中無標(biāo)記手術(shù)器械視覺追蹤結(jié)果。紅色曲線表示手術(shù)器械實際運動軌跡，綠色曲線表示手術(shù)器械視覺追蹤軌跡：a腹腔鏡手術(shù)視頻中抓鉗的視覺追蹤結(jié)果。b腹腔鏡手術(shù)視頻中電鉤的視覺追蹤結(jié)果。

實驗結(jié)果顯示，研究團隊所提方法相比于現(xiàn)有的無標(biāo)記手術(shù)器械視覺追蹤方法，追蹤精度更高、追蹤速度更快、定位誤差更小。該項研究為持鏡機器人視覺追蹤模塊提供了一種新的研發(fā)思路，并將助力臨床實施精準(zhǔn)微創(chuàng)外科手術(shù)，對精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。