國產手術機器人實現首例臨床場景下自主手術驗證

　　手術機器人被認為是機器人產業“皇冠上的明珠”，它能在手術過程中輔助醫生精準操作，減少創口面積，提高了手術中的精準性與安全性。如今，手術機器人已作為醫生的“輔助工具”完成了數百萬次微創手術。那么，手術機器人能否“脫離”醫生的控制，自主完成手術任務呢？

　　近日，香港中文大學（簡稱“港中文”）發布消息稱，由該校工程學院與醫學院組成的多學科研究團隊，成功研發出基于人工智能（AI）驅動的手術機器人自動化技術，并將該技術集成于國產機器人中，成功在活體豬模型上實現了組織牽拉、紗布抓取、血管夾閉等多項自主手術操作。相關研究成果近日發表于美國科學促進會刊物《科學·機器人》。

　　據介紹，這是全球首例多功能手術自動化的活體動物驗證，為自動化手術機器人領域發展帶來數據驅動的純視覺解決方案。

　　給手術機器人裝一雙“慧眼”

　　當前，外科手術中的機器人仍需要醫生操控完成。以腔鏡手術為例，醫生坐在控制臺上，除了一只機械臂放置內窺鏡之外，醫生需要用兩只手操控三只機械臂，通過腳下按鍵頻繁切換控制。

　　而自動化手術機器人往往需要依賴于額外的傳感器輸入，或基于人工預定義的規則和模型，大大限制了其臨床應用的價值。

　　在該項研究中，港中文團隊利用人工智能技術，研發出了手術機器人自動化的具身智能技術框架，該框架整合了機器視覺模型、強化學習和視覺伺服控制技術，無需額外的傳感器，就能實時分析內窺鏡圖像，確保手術任務能夠精準、高效安全地自主操控。其中，基于基礎模型的視覺感知系統能準確地對各種手術場景進行理解和深度估計

　　論文通訊作者、港中文計算機科學與工程學系助理教授竇琪介紹，相比起現有的自動化手術機器人，研究團隊主要采用具身智能的技術路徑實現手術機器人自動化，存在兩個技術創新點：一是臨床可用性。相比起以往采用的額外傳感器的復雜方法，我們采用了純視覺技術方案，依靠標準的雙目視頻就能實時準確理解手術場景，為自動化手術機器人裝上一雙“慧眼”，在臨床上更易使用；二是通用性。以往基于模型驅動的自動化方法，針對特定動作建模后難以遷移，研究團隊采用數據驅動的交互式學習方式，通過矩陣實現通用性，能適配不同的手術場景，實現不同的手術任務。

　　本次研究中，科研團隊將該技術集成至合作企業康諾思騰腔鏡手術機器人中，并在港中文醫療機械人創新技術中心開展活體豬的多功能手術自動化驗證，集成的腔鏡手術機器人成功完成了血管夾閉、組織牽拉、紗布抓取等多項自主手術操作，進一步推動了自助手術從概念向臨床邁進。

　　多學科合作，打破知識壁壘

　　2020年，在英國帝國理工大學結束博士后工作后，竇琪回到母校香港中文大學，開始獨立建立實驗室，圍繞手術機器人自動化領域開展研究。

　　那時，人工智能和手術機器人兩個研究領域可以說是“各自為營”，學科交叉并不明顯。“開展這項研究時，我們沒有太多可以供參考的案例，幾乎是從零開始。”竇琪回憶道，隨著AI技術浪潮的到來以及機器人具身智能概念的提出，研究團隊開始嘗試運用交互學習開發手術機器人自動化技術，然而通過調研發現，并沒有能夠適配AI技術的手術機器人模擬器，學科交叉的壁壘為研究帶來極大的挑戰。

　　為此，竇琪帶領團隊自主研發了手術機器人的具身智能數字孿生平臺SurRol，手術機器人自動化技術在這個模擬器上完成訓練后，便能夠直接將技術遷移到現實生活中的手術機器人平臺中。目前，這一手術機器人具身智能模擬平臺已向全球手術機器人研究社群開源，進一步助推了自動化手術機器人的發展。

　　2021年，在產學研合作的推動下，竇琪團隊與康諾思騰開啟產學研合作，對開發的平臺開展軟硬件驗證工作。隨著合作逐漸深入，竇琪團隊與企業團隊不斷提升了手術機器人自動化技術的精準性，為后續的活體動物實驗打下了堅實的技術基礎。而港中文醫學院團隊逐漸加入，活體動物實驗得以順利成功開展。在這個過程中，整個項目團隊慢慢集結并培養了來自機器視覺、強化學習、工程學、醫學等背景的人才，建立了一個在手術機器人領域的多學科交叉研究團隊。

　　“醫療器械人創新技術中心提供了工程創新與臨床應用協同發展的獨特生態，加速從實驗室概念向臨床前研究的轉化進程。這項醫工交叉的研究成果展現了人工智能輔助系統在外科手術領域的革新潛力。”港中文醫學院院長趙偉仁表示。

　　外科醫生的“第三只手”

　　近段時間來，國內外關于手術機器人的研究都取得了不同程度的突破。例如，今年7月，美國霍普金斯大學的研究人員在《科學·機器人》雜志上發表的文章稱，他們訓練出一個能利用人工智能自主完成膽囊切除手術步驟操作的機器人。

　　作為與美國同行在同期發表的研究之一，相比之下，竇琪團隊提出的手術機器人自動化技術展現出了更強的通用性，手術機器人自主能夠實現多項手術任務操作。

　　一系列突破的背后，如何理解AI手術機器人在臨床應用帶來的擔憂？“讓AI獨立完成整臺手術仍不現實。”竇琪比喻道，發展自動化手術機器人應做到鼓勵與監管并進，在規范的框架下有序發展。

　　“事實上，讓AI手術機器人成為醫生的‘第三只手’大有可為。”竇琪說道，研究手術機器人自動化技術的目標就像是實現汽車的“輔助駕駛”功能。當醫生在操作兩只機械臂進行復雜手術操作時，AI機械臂如果能自動承擔牽拉、止血等輔助任務，能夠減少醫生頻繁切換器械的負擔，提升手術效率，讓AI手術機器人成為醫生的“第三只手”。

　　“自動化手術機器人從實驗室到手術室的距離，比想象中更近。”竇琪預測，目前研究團隊正開展更多輪的動物實驗，穩步推進臨床轉化。未來，他們將進一步圍繞手術機器人的個性化協同和功能升級兩方面開展，讓AI手術機器人學習不同外科醫生的操作習慣，優化人機交互體驗，真正成為醫生的智能伙伴。