AI賦能醫(yī)療，手術(shù)機(jī)器人“智商”可以有多高？
2022.09.11在世界人工智能大會(huì)上奪人眼球的醫(yī)療機(jī)器人，正迎來(lái)更寬闊的發(fā)展跑道。
AI賦能醫(yī)療，手術(shù)機(jī)器人“智商”可以有多高？
■齊鵬
在今年的世界人工智能大會(huì)上，醫(yī)療機(jī)器人表現(xiàn)搶眼。上海研發(fā)的多臂腔鏡手術(shù)機(jī)器人斬獲大會(huì)最高榮譽(yù)SAIL獎(jiǎng)，智能咽拭子采集機(jī)器人、智能外骨骼機(jī)器人、膝關(guān)節(jié)手術(shù)機(jī)器人、血管介入機(jī)器人等設(shè)備的亮相，令人們對(duì)未來(lái)更精準(zhǔn)、高效、安全的智能化醫(yī)療產(chǎn)生更多期待與遐想。
作為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，醫(yī)療機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造應(yīng)用需要多學(xué)科融合發(fā)展的推動(dòng)。從專業(yè)角度來(lái)看，今天我們所見(jiàn)的醫(yī)療機(jī)器人的智能化水平，實(shí)際上還有相當(dāng)大的提升空間。然而，接受完全可替代醫(yī)生的機(jī)器人，我們真的準(zhǔn)備好了嗎？
醫(yī)療機(jī)器人是高端智能醫(yī)療裝備的代表。經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，它們已成為越來(lái)越受醫(yī)生歡迎的手術(shù)助手。我國(guó)醫(yī)療機(jī)器人的科研與產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷20多年發(fā)展后，也呈現(xiàn)出“遍地開(kāi)花、爭(zhēng)相斗艷”的態(tài)勢(shì)。在全球后疫情時(shí)期，“大健康”產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展期，醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展既面臨重大機(jī)遇，又面臨極大挑戰(zhàn)，醫(yī)療機(jī)器人也迎來(lái)了更寬闊的發(fā)展跑道。
劃時(shí)代序幕 手術(shù)臺(tái)出現(xiàn)機(jī)器人
按照醫(yī)療機(jī)器人應(yīng)用的場(chǎng)景不同，醫(yī)療機(jī)器人一般可分為醫(yī)院自動(dòng)化設(shè)備、手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)與輔助機(jī)器人三大類。其中，手術(shù)機(jī)器人是醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的核心，其技術(shù)要求和門檻都是最高的。
一般認(rèn)為，首次將機(jī)器人技術(shù)與手術(shù)場(chǎng)景相結(jié)合是在1985年。這一年，美國(guó)洛杉磯醫(yī)院工業(yè)機(jī)器人PUMA 560被應(yīng)用于神經(jīng)外科顱內(nèi)活檢，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人輔助定位下的精準(zhǔn)采樣。這一探索性的大膽嘗試，拉開(kāi)了機(jī)器人作為智能手術(shù)工具的劃時(shí)代序幕。
1992年，IBM與美國(guó)加州大學(xué)合作研發(fā)的ROBODOC骨科機(jī)器人誕生。它可協(xié)助外科醫(yī)生進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)，也成為首個(gè)獲得FDA（美國(guó)食品藥品監(jiān)管局）批準(zhǔn)的手術(shù)機(jī)器人。
上世紀(jì)90年代中期，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家迎來(lái)了手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的產(chǎn)品突破期。由美國(guó)斯坦福研究所成立的Computer Motion公司開(kāi)發(fā)出的自動(dòng)內(nèi)窺鏡優(yōu)化定位系統(tǒng)（AESOP）實(shí)現(xiàn)了手術(shù)機(jī)器人的商業(yè)化。這款機(jī)器人可由醫(yī)生通過(guò)聲音指令控制機(jī)器人手臂，操縱內(nèi)窺鏡攝像機(jī)來(lái)輔助腹腔鏡手術(shù)，從而避免了扶鏡手生理疲勞造成的鏡頭不穩(wěn)定。
2000年，在以上前期研究基礎(chǔ)上，美國(guó)直覺(jué)外科公司根據(jù)腹腔鏡手術(shù)臨床需求，對(duì)AESOP機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，研發(fā)出一款通用型的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，即達(dá)芬奇機(jī)器人，并獲得FDA批準(zhǔn)。
21世紀(jì)之前，我國(guó)在手術(shù)機(jī)器人方面的研發(fā)尚處于起步階段。從時(shí)間軸上看，我國(guó)手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展較歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家滯后十年左右。但是，我國(guó)手術(shù)機(jī)器人的研究在醫(yī)工合作下成為后起之秀，也在很多關(guān)鍵技術(shù)上呈現(xiàn)出另辟蹊徑的特色，并在近十多年間出現(xiàn)了多類產(chǎn)品的突破發(fā)展。
與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)大量的臨床需求吸引了國(guó)外手術(shù)機(jī)器人公司紛紛將目光投向中國(guó)市場(chǎng)。國(guó)外產(chǎn)品在進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的同時(shí)，也會(huì)進(jìn)一步與國(guó)內(nèi)臨床醫(yī)生的手術(shù)范式習(xí)慣相融合，并在功能上進(jìn)行調(diào)整。目前，已有一些國(guó)外手術(shù)機(jī)器人公司與國(guó)內(nèi)高校、研究機(jī)構(gòu)、醫(yī)院和企業(yè)開(kāi)展合作，聯(lián)合建立研發(fā)中心，助推新一代手術(shù)機(jī)器人的升級(jí)發(fā)展。
而今，盡管國(guó)外手術(shù)機(jī)器人在全球市場(chǎng)依然占據(jù)主導(dǎo)地位，但未來(lái)國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的發(fā)展?jié)摿Σ蝗菪∮U。
微創(chuàng)而精準(zhǔn) “醫(yī)生助手”日益智能
手術(shù)機(jī)器人經(jīng)歷了好幾個(gè)發(fā)展階段，即從最初的工業(yè)機(jī)器人遷移應(yīng)用，到通用型手術(shù)機(jī)器人，后又進(jìn)一步演化為多種面向不同術(shù)式的專用型手術(shù)機(jī)器人。
按照手術(shù)對(duì)象，手術(shù)機(jī)器人一般可分為硬組織機(jī)器人、軟組織機(jī)器人等。也可通過(guò)更為直觀的分類方法，按照臨床應(yīng)用領(lǐng)域劃分為骨科機(jī)器人、神經(jīng)外科機(jī)器人、腔鏡機(jī)器人、經(jīng)自然腔道機(jī)器人、血管介入機(jī)器人等。目前，進(jìn)入臨床應(yīng)用的手術(shù)機(jī)器人代表生產(chǎn)商主要集中在歐美，他們?cè)谥袊?guó)的可及手術(shù)量均超過(guò)100萬(wàn)例/年。
主從式是目前手術(shù)機(jī)器人實(shí)施手術(shù)的主要操作模式。主從式操作系統(tǒng)由一臺(tái)主處理機(jī)記錄、控制其他從處理機(jī)的狀態(tài)，并分配任務(wù)給從處理機(jī)。達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人就是這種主從式操作模式。它主要由三個(gè)部分組成：外科醫(yī)生控制臺(tái)、床旁機(jī)械臂系統(tǒng)、成像系統(tǒng)。
通過(guò)控制臺(tái)，醫(yī)生可對(duì)床旁機(jī)械臂系統(tǒng)實(shí)施“一對(duì)一”映射性操作。由于醫(yī)生可以坐著完成手術(shù)，不易疲勞，時(shí)間長(zhǎng)、高難度的復(fù)雜手術(shù)會(huì)變得更加輕松。這種“手眼同軸”的便利，使得外科醫(yī)生能夠更加自然順暢地進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)的精細(xì)操作。
另外，達(dá)芬奇機(jī)器人還有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是成像系統(tǒng)可提供清晰放大的3D視野，有效手術(shù)視野范圍大，其視覺(jué)輔助功能可幫助醫(yī)生更好地對(duì)病灶處開(kāi)展手術(shù)；二是配套有多種具有七個(gè)自由度且可轉(zhuǎn)腕的手術(shù)器械，帶有動(dòng)作縮放功能，讓醫(yī)生在狹窄腔體內(nèi)的操作更加靈活、精準(zhǔn)，并且避免了醫(yī)生術(shù)中的手部顫抖。
隨著機(jī)器人技術(shù)與人工智能的發(fā)展，手術(shù)機(jī)器人的智能化水平被賦予了更多期待。業(yè)界學(xué)者曾類比自動(dòng)駕駛技術(shù)分級(jí)，對(duì)手術(shù)機(jī)器人的自主化水平進(jìn)行了0至5級(jí)的劃分。
從0級(jí)沒(méi)有任何自主化，到最高5級(jí)機(jī)器人可完全取代醫(yī)生，手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展還有漫漫長(zhǎng)路。目前，全球應(yīng)用最為廣泛的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人所代表的還只是0級(jí)，美國(guó)史賽克公司的MAKO交互式骨科機(jī)器人則達(dá)到了自主化1級(jí)。
目前，自主化2級(jí)手術(shù)機(jī)器人正受到越來(lái)越多科研人員的關(guān)注。美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)和美國(guó)國(guó)立兒童醫(yī)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種監(jiān)督式的自主軟組織手術(shù)機(jī)器人，它可在醫(yī)生指出需要縫合的位置自主進(jìn)行縫合，醫(yī)生也可在必要時(shí)進(jìn)行干預(yù)。
需要指出的是，完全自主化的5級(jí)目前屬于“科幻級(jí)”的設(shè)想。由于當(dāng)前手術(shù)機(jī)器人的研究都是以“醫(yī)生助手”為目標(biāo)，故而與之相關(guān)的倫理、法律、安全性等將是一系列大問(wèn)題。
“小而美”出道 顛覆傳統(tǒng)形象認(rèn)知
立足當(dāng)下展望未來(lái)，手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)是將術(shù)前、術(shù)中的影像相融合，以進(jìn)一步提高手術(shù)精準(zhǔn)程度，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)可視化技術(shù)，通過(guò)“穿透視覺(jué)”的方法，讓醫(yī)生在形狀、位置、觸覺(jué)等多傳感信息的反饋融合下，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位操控，更方便地完成手術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，諸如人工智能實(shí)時(shí)計(jì)算、交互力觸覺(jué)以及人體復(fù)雜柔性環(huán)境識(shí)別等一系列關(guān)鍵技術(shù)還有待突破。
在手術(shù)機(jī)器人的本體創(chuàng)新上，各類不同形態(tài)的手術(shù)機(jī)器人層出不窮，逐步呈現(xiàn)出輕量化、小型化、專用化等特色，令人耳目一新。
國(guó)內(nèi)手術(shù)機(jī)器人公司可在這方面著力突破。手術(shù)機(jī)器人的靈感源頭往往來(lái)自臨床，臨床醫(yī)生可以結(jié)合多年經(jīng)驗(yàn)提出很多好想法。同時(shí)，輕量化、小型化設(shè)計(jì)的手術(shù)機(jī)器人尤其適合初創(chuàng)公司開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)，此類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)更有利于推動(dòng)醫(yī)工結(jié)合，以醫(yī)生為主體實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。
在專用化的發(fā)展趨勢(shì)之下，“小而美”的手術(shù)機(jī)器人可能會(huì)給醫(yī)生帶來(lái)不同以往的使用體驗(yàn)。傳統(tǒng)手術(shù)機(jī)器人往往體積龐大，術(shù)前準(zhǔn)備、術(shù)后消毒整理等繁雜流程一定程度上限制了其高效使用。未來(lái)的手術(shù)機(jī)器人將朝著“身材”小巧不占空間、易于處理、“一次完成”的方向“進(jìn)化”，或?qū)㈩嵏参覀儗?duì)手術(shù)機(jī)器人的傳統(tǒng)形象認(rèn)知。
隨著智能水平的不斷提升，手術(shù)機(jī)器人在發(fā)展理念上也開(kāi)始越來(lái)越多地關(guān)注人機(jī)交互問(wèn)題。這種人機(jī)交互既包括物理層面，也包括信息和數(shù)據(jù)流方面的有效互通，“協(xié)作”成為手術(shù)機(jī)器人乃至整個(gè)機(jī)器人應(yīng)用方向上一個(gè)時(shí)髦的關(guān)鍵詞。當(dāng)然，這也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。值得高興的是，醫(yī)生、病患乃至普通公眾對(duì)醫(yī)療機(jī)器人的熱情，也體現(xiàn)了人類對(duì)機(jī)器智能的信賴程度正在不斷提高。
科幻級(jí)智能 有待社會(huì)倫理準(zhǔn)備
隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，臨床上對(duì)疾病的診斷越來(lái)越早，干預(yù)也愈發(fā)精準(zhǔn)，這對(duì)診療手術(shù)器械提出了更高要求。
當(dāng)前，我們談及的手術(shù)機(jī)器人操作精度都是毫米級(jí)、亞毫米級(jí)，今后的機(jī)器人顯微手術(shù)操作精度會(huì)達(dá)到微米級(jí)。在這種情況下，微型器械的制造將成為一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
微納機(jī)器人與醫(yī)療結(jié)合是一個(gè)前沿的研究方向。微納機(jī)器人是指機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及檢測(cè)精度可達(dá)到微米和納米級(jí)別。而且，這種機(jī)器人是一個(gè)三維結(jié)構(gòu)，需要從納米尺度開(kāi)展制造。
起初，微納機(jī)器人只是一個(gè)較為科幻的概念，距離臨床的真實(shí)需求還相當(dāng)遙遠(yuǎn)，其設(shè)計(jì)主要用于藥物遞送和細(xì)胞操作。科學(xué)家們通過(guò)化學(xué)能、磁能、光能、聲能、熱能等各種供能方式，讓這些人工制造的“機(jī)器人”在微納米尺度運(yùn)動(dòng)起來(lái)。
在醫(yī)療上，我們期待微納機(jī)器人能夠開(kāi)展更早期的顯微干預(yù)，并集成傳感和驅(qū)動(dòng)，更好地完成微量或精準(zhǔn)的疾病治療。微納機(jī)器人等具備精準(zhǔn)操作本領(lǐng)的手術(shù)機(jī)器人將會(huì)對(duì)精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。
屬于高端醫(yī)療裝備的醫(yī)療機(jī)器人，其發(fā)展需要匯集各方資源，開(kāi)展廣泛合作。例如，醫(yī)療機(jī)器人的研究中包含很多科學(xué)問(wèn)題有待科學(xué)家去解決，也需要產(chǎn)學(xué)研的協(xié)同去完成一些前沿技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)然，相關(guān)政策和資金投入也非常關(guān)鍵，需有長(zhǎng)期投資的理念和培育的眼光。
毋庸諱言，醫(yī)療機(jī)器人在走向產(chǎn)品落地的過(guò)程中會(huì)遇到各種復(fù)雜問(wèn)題，也存在很多不確定的安全、倫理等風(fēng)險(xiǎn)。過(guò)去三十年，醫(yī)療機(jī)器人融合電子器械、影像等相關(guān)技術(shù)，不斷推進(jìn)AI賦能醫(yī)療。未來(lái)三十年，不斷進(jìn)階的智能化將是醫(yī)療進(jìn)步的重要推手。
?。ㄗ髡邽橥瑵?jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院副教授）