機(jī)器人輔助手術(shù)的自動(dòng)化為何非常困難

誰(shuí)更擅長(zhǎng)做手術(shù)：有經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生還是機(jī)器人？

通常，外科醫(yī)生必須在手術(shù)過(guò)程中做出相對(duì)較大的切口，而機(jī)器人的小器械則可以適應(yīng)較小的切口。鑒于機(jī)器人系統(tǒng)的這一優(yōu)勢(shì)，外科醫(yī)生現(xiàn)在很常見(jiàn)使用遠(yuǎn)程控制的機(jī)械臂來(lái)執(zhí)行手術(shù) —— 將經(jīng)驗(yàn)豐富的人類(lèi)的精度與小型機(jī)械臂的最小侵入性結(jié)合起來(lái)。然而，在這些情況下，外科醫(yī)生仍然需要控制機(jī)器人，在精準(zhǔn)度方面優(yōu)于外科醫(yī)生的全自動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)。

然而，最近的一項(xiàng)進(jìn)展表明，機(jī)器人在不久的將來(lái)或可展示超越人類(lèi)的性能。在5月10日《IEEE自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)報(bào)》上發(fā)表的一篇論文中，一個(gè)多國(guó)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一項(xiàng)研究的結(jié)果，其中機(jī)器人能夠以與經(jīng)驗(yàn)豐富的外科醫(yī)生相同的精度完成常見(jiàn)的手術(shù)訓(xùn)練任務(wù)，同時(shí)更快速、更一致地完成。

韓國(guó)大邱慶北科學(xué)技術(shù)院助理教授Minho Hwang參與了這項(xiàng)研究。他指出，許多機(jī)器人系統(tǒng)目前依賴(lài)于電纜的自動(dòng)控制，電纜受到摩擦、電纜耦合和拉伸的影響，所有這些都會(huì)使精確定位變得困難。

Hwang解釋說(shuō)：“當(dāng)人類(lèi)控制機(jī)器人時(shí)，他們可以通過(guò)人類(lèi)的視覺(jué)反饋進(jìn)行補(bǔ)償。但由于［這些］位置誤差，機(jī)器人輔助手術(shù)的自動(dòng)化非常困難?！?/p>

在他們的研究中，Hwang和同事采用了標(biāo)準(zhǔn)的da Vinci機(jī)器人系統(tǒng)，這是一種用于機(jī)器人輔助手術(shù)的常見(jiàn)模型，并在其機(jī)械臂上戰(zhàn)略性地放置了三維打印標(biāo)記。這使團(tuán)隊(duì)能夠使用顏色和深度傳感器跟蹤其運(yùn)動(dòng)。然后，他們使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析了手臂的運(yùn)動(dòng)。結(jié)果表明，訓(xùn)練后的模型可以將平均跟蹤誤差減少78%，從2.96毫米減少到0.65毫米。

接下來(lái)，研究人員對(duì)他們的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試對(duì)象是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的外科醫(yī)生，他進(jìn)行了900多次手術(shù)，以及九名沒(méi)有手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的志愿者。研究參與者被要求完成peg轉(zhuǎn)移任務(wù)，這是一項(xiàng)針對(duì)培訓(xùn)外科醫(yī)生的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試，涉及將六個(gè)三角形塊從釘板的一側(cè)轉(zhuǎn)移到另一側(cè)，然后再轉(zhuǎn)移回來(lái)。雖然任務(wù)聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但它需要毫米級(jí)別的精準(zhǔn)度。

研究參與者使用da Vinci機(jī)器人系統(tǒng)完成了三種不同的peg任務(wù)：?jiǎn)蝹?cè)（使用一只手臂移動(dòng)一個(gè)peg）、雙側(cè)（使用兩只手臂同時(shí)移動(dòng)兩個(gè)peg）和雙側(cè)交叉（使用一支手臂拿起peg，轉(zhuǎn)移到另一只手臂，并將peg放在板上）。他們的機(jī)器人輔助性能與Hwang團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的全自動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了比較。

使用一只手臂，外科醫(yī)生在速度方面優(yōu)于自動(dòng)機(jī)器人。但在涉及雙臂的更復(fù)雜任務(wù)中，機(jī)器人的表現(xiàn)優(yōu)于外科醫(yī)生。

例如，對(duì)于最困難的任務(wù)（雙側(cè)切換），外科醫(yī)生的成功率為100%，平均轉(zhuǎn)移時(shí)間為7.9秒。機(jī)器人的成功率相同，但平均轉(zhuǎn)移時(shí)間只有6.0秒。

加州大學(xué)伯克利分校電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授Ken Goldberg也參與了這項(xiàng)研究。他說(shuō)：“我們對(duì)機(jī)器人的速度和準(zhǔn)確性感到非常驚訝，因?yàn)樗茈y超越訓(xùn)練有素的人類(lèi)外科醫(yī)生的技能。我們還對(duì)機(jī)器人的一致性感到驚訝；它完美地轉(zhuǎn)移了120次，沒(méi)有一次故障?！?/p>

Goldberg和Hwang指出，這是在受控環(huán)境下進(jìn)行的初步研究，要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)機(jī)器人手術(shù)，還需要更多的研究。但據(jù)他們所知，這是機(jī)器人在與手術(shù)相關(guān)的訓(xùn)練任務(wù)中表現(xiàn)優(yōu)于人類(lèi)的第一例。

Hwang說(shuō)：“我們已經(jīng)證明，對(duì)于一項(xiàng)涉及已知形狀的剛性物體的手術(shù)任務(wù)，快速而準(zhǔn)確的自動(dòng)化是可行的。下一步是在其他任務(wù)和更復(fù)雜的人體環(huán)境中演示這一點(diǎn)。”

他說(shuō)，在未來(lái)的工作中，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將其方法擴(kuò)展到自動(dòng)化手術(shù)子任務(wù)，如組織縫合，并希望在其校準(zhǔn)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、視覺(jué)伺服和錯(cuò)誤恢復(fù)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展?！　?/p>