機器人第一次獨立手術(shù)！最快55分鐘縫合腸道，華裔教授帶隊研發(fā)，“結(jié)果顯著優(yōu)于外科醫(yī)生”
CNN跟蹤軟組織運動
楊凈 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
沒有人類指導，機器人自己就完成了手術(shù)？！
結(jié)果還顯著優(yōu)于外科醫(yī)生。
最近，有這樣一項實驗引發(fā)了大家關(guān)注。
美國約翰·霍普金斯研究團隊設(shè)計研發(fā)的手術(shù)機器人STAR，在豬的軟組織上首次獨立完成腹腔鏡腸道吻合手術(shù)——重新連接腸道的兩端。
研究人員表示， 這是朝著對人類進行全自動手術(shù)邁出的重要一步。
來看看這究竟是甚么回事？
CNN跟蹤軟組織運動
一直以來，軟組織手術(shù)對機器人來說尤其困難。
且不說要求機器人高精度操作，還有各種不可預料的意外情況需要應(yīng)對決策。
而在腹腔鏡手術(shù)中，這種難度進一步增加。因為可操作的空間有限，且目標組織會有呼吸運動的偽影干擾。
即便是最輕微的震動或錯位縫合，都可能給患者帶來嚴重的并發(fā)癥。
機器人STAR，從誕生之日起，就是專門用于縫合軟組織的視覺引導系統(tǒng)。團隊為其配備了專門的縫合工具和成像系統(tǒng)，以保證手術(shù)區(qū)域可視化。
從結(jié)構(gòu)上看，STAR由兩個醫(yī)用機械臂、電動縫合工具，以及NIR（近紅外成像）攝像機和一個3D單色內(nèi)窺鏡組成。
這個機器人最大的特點，就是以最少的人工干預來規(guī)劃、調(diào)整和執(zhí)行軟組織手術(shù)。
為實現(xiàn)這一點，研究人員開發(fā)了基于結(jié)構(gòu)光的3D內(nèi)窺鏡和基于機器學習的跟蹤算法來指導STAR，用來規(guī)劃縫合。
目標跟蹤算法使用了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN，基于U-Net架構(gòu)，輸入包括近紅外攝像頭標記的過去 2 秒內(nèi)的位置歷史以及從現(xiàn)在到2秒前的運動方向。
整個網(wǎng)絡(luò)涵蓋4個卷積層、3個密集層和2個輸出。
卷積層和前三個密集層的激活函數(shù)是 Rectified Linear Unit (ReLU)，最后一個密集層的激活函數(shù)是SoftMax。
該網(wǎng)絡(luò)在訓練階段預測運動曲線，準確度達93.56%。
除此之外還有許多自主功能，包括啟動/暫停/解除組織跟蹤系，檢測軟組織的呼吸運動及其變形，控制攝像機運動，縫合規(guī)劃、預測工具與軟組織碰撞等。
如果 STAR 檢測到與當前手術(shù)計劃相比組織位置的變化大于3mm，則通知操作員啟動新的縫合計劃和批準步驟。
接著，操作員就只需看著機器人操作了。
在這項縫合任務(wù)中，超過83%的工作流程都是機器人自主完成的。有時候仍需要操作員手動微調(diào)機器人，以便出現(xiàn)漏縫時糾正定位。
（相機放置在距離目標組織 5 到 8 厘米處）
以往的工作中，組織追蹤僅考慮靜止組織，沒有考慮到呼吸運動，包括噪聲預濾波和碰撞預防，也無法自主形成重新規(guī)劃建議。
操作員需要監(jiān)測縫合過程的每個子步驟，因此只有57.8%的縫合工作是機器人自主完成的。
最終結(jié)果顯示，STAR在四只動物身上進行了同樣的手術(shù)，整個手術(shù)時間大概在4小時，結(jié)果均顯著好于人類。
尤其在位置校正、縫合間距、縫合線咬合大小、完成時間、管腔通暢和泄漏壓力等維度，均好于目前已開發(fā)的自主系統(tǒng)、專家手術(shù)等。
在完成時間上可以看到，最短在1小時之內(nèi)就已經(jīng)完成。
主要作者之一，約翰霍普金斯大學教授?Axel Krieger表示，STAR產(chǎn)生的結(jié)果明顯優(yōu)于人類，這意味著機器人可自主完成腸道兩端的重新連接。這是手術(shù)中最復雜、最精細的任務(wù)之一。
值得一提的是，本次研究團隊中看到了一位華裔教授的身影。
Jin U. Kang，電氣和計算機工程教授，光學成像方面的專家，是約翰霍普金斯大學卡夫里神經(jīng)科學發(fā)現(xiàn)研究所和計算傳感與機器人實驗室的成員。
2008年至2014年擔任電氣和計算機工程系的主席。
感興趣的旁友，可戳下方鏈接了解詳情。
論文鏈接：
[1]https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj2908
參考鏈接：
[1]https://me.jhu.edu/news/robot-performs-first-laparoscopic-surgery-without-human-help/
[2]https://hub.jhu.edu/2022/01/26/star-robot-performs-intestinal-surgery/
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