手术机器人智能技术的进展与挑战

作者在一个TOR操作中心进行了回顾研究，包括从2018年10月至2019年9月接受TOR单孔手术的所有患者。将SP-OPSCC结果与Si-OPSCC患者的所有历史数据进行比较。其中，78例患者接受了SP手术治疗，出血率5.1%，死亡率2.6%，转化率0%，与daVinci Si组相比，进行TORS-SP手术的OPSCC患者手术时间和术后出血方面无显著性差异（P>0.05）。

2. 手术机器人的灵巧化

虽然机器人技术已经提高了微创腹部、脑外科、骨科、介入科等手术的性能，但其适应更精细、更迂回、多通道的区域仍然具有很大的挑战，并且某些手术仍然必须使用更具侵袭性的方式进行。因此，类似手术场景要求机器人具有体积小、柔性强，能通过非线性路径到达难以进入的手术部位，灵活完成手术任务。连续体机器人的结构与由关节连接的离散刚性连杆组成的传统机器人有着根本性区别。当关节的数量接近无穷大（而连接长度接近于零）时，机器人就可被称为连续体机器人。虽然第一个连续机器人是在近50年前创建的，但医学应用显然是过去十年来连续机器人研究的主要驱动因素之一。从医学的角度来看，连续机器人的小尺寸和顺应性是有利的，但对传感、控制和人机交互提出了很高的要求。
Choset[2]总结了连续体机器人应用于外科手术的重要研究。作者调查了医学应用中连续机器人研究的核心技术，包括特定医疗问题的设计、建模、控制、传感和应用方面的实质性进展。同时，概述了在临床方面商业化或相对较先进的手术系统。作者介绍了两个已经获得FDA批准的连续体机器人应用：远程操作的连续机器人系统（HansenMedical Inc.和StereotaxisInc.）和超冗余系统（Medrobotics Inc.）。连续体因为可提供侵入性较小的通路和操作，将越来越有利于外科医生和患者。

3. 遥操作手术机器人的自动化

自动化是手术机器人的重要发展方向，在医疗领域由于其特殊性目前自动化的程度相对于工业、服务以及特种领域均较低。目前机器人辅助手术（RASs）的模式完全取决于单个外科医生的手动能力。自动机器人手术可以保证手术效率和安全性的提高，并改善优化手术技术。由于技术上的限制，涉及软组织的手术尚未独立进行，包括缺乏能够在动态手术环境中识别和跟踪目标组织的视觉系统，以及缺乏能够执行复杂手术任务的智能算法。美国约翰霍普金斯大学[3]通过增强视觉、灵巧性和互补的机器智能来改善手术效果、安全性，实现软组织变形的自动跟踪、监测以及吻合。通过实验证明，自主机器人可以提高手术的效率、一致性、功能结果和可行性。
作者认为，具有自主性的手术机器人不是为了取代外科医生，而是提高医生的能力。目前远程手术的模式完全取决于每个手术医生的能力。由于自主机器人手术可预测性强，目前只适用于具有刚性结构的解剖，如骨骼切割。而下一步，在软组织手术中将自主规划和机器人遥操作相结合，可最大限度地减少了技术不确定性，与纯人工手术或者自动机器人手术方法相比可能会获得更好的结果。外科医生和机器人之间的这种交互式自适应决策展示了未来机器人手术的新范例。

4. 影像引导手术机器人的自主化

为提升介入手术的智能化、自主化，哈佛大学医学院[4]从趋触性的昆虫中获得灵感，研发了一种新型机器人导管。它可以在充满血液的心脏中导航，这种导管使用混合触觉、视觉的感知方法，使用图像进行基于触摸的表面识别和力传感，以完成充满血液的心脏内壁跟踪。触觉视觉传感器提供了导管尖端的高分辨率视图，这正是壁跟踪和设备部署所需的视图。该传感器与机器学习和图像处理算法相结合，使机器人能够区分其接触的物体并控制其接触力。但在一些特殊、复杂的位置移动时，如：主动脉瓣环，成功率还有待提升。在未来，壁跟踪自主导航可扩展到许多微创手术，包括血管、气道、胃肠道和脑心室系统的手术。
通过活体动物实验，证明了在某些方面自主控制的机器人导管性能达到了临床医生的水平。自主导航是一种基本能力，在此基础上可以建立更复杂的自主级别，例如执行一个过程。与工业自动化的作用类似，这种能力可以使临床医生自由地专注于手术中的最关键方面，提高医生经验和操作精度，减少重复疲劳。

5. 远程手术机器人的数字孪生技术

远程诊疗是手术机器人的重要发展方向。随着5G、互联网技术的发展，为远程手术机器人的进一步应用提供了基础。芬兰科学家[5]利用数字孪生技术为远程手术机器人提供非常好的沉浸感和透明度。数字孪生（DT）的思想是通过一个单独的接口，将与产品或过程相关的每个数据源和控制接口描述引入，便于自主探索和自动通信的建立。研究者利用一个机械臂和HTCvive虚拟现实（VR）系统组成主从端，通过移动网络连接。在研究中，结合一个网络操作模块来测试网络中断和攻击的影响，以此解决系统的网络安全问题。虽然系统的实际远程手术能力受到虚拟现实系统能力和机器人反馈不足的限制，但是可以利用该系统进行远程手术的模拟和研究。将来，患者和外科医生也可能拥有自己的数字孪生，这将使系统能够读取历史和实时的健康和性能数据。甚至在外科医生进入手术室之前，就可以计划手术并检查病人的健康记录。

6. 手术机器人智能化发展与挑战

在手术机器人迈向未来的过程中，仍面临许多重大挑战，Sciencerobotics[6]对该领域进行了展望。外科和介入机器人技术的主要挑战是更高自主程度系统的研发。现有医疗机器人的自主能力仍然有限。在大多数情况下，机器人的贡献是提高了外科医生的技术水平。例如，IntuitiveSurgical公司的 da Vinci手术机器人系列产品使腹腔镜检查变得容易;Stryker的Mako机器人手臂通过比外科医生更精确的骨骼钻孔技术来增强髋关节和膝关节置换功能。在这两个例子中，机器人相当于外科医生手的延伸，故其运动必须受到外科医生的控制。之前研究的Robodoc系统与前者有所不同，它会根据医疗图像执行预先计算和经外科医生批准的手术路径。尽管这些系统在将外科医生的意图转化为机器人执行器的实际动作时，都有一定程度的“自主性”。但是当控制器需要做出更复杂的行为来表现临床医生的决策时，现有技术并不能满足。因此，在满足相应的监管和伦理条件的前提下，医疗机器人的自主性技术发展将逐步推进。例如，心脏介入治疗包括利用术前和术中影像的结合，从外周血管的经皮入路导航到心脏内的特定位置。而目前基于图像的机器人导航理论已经很成熟，因此开发安全的导航算法是可行的。随着心脏介入装置(如经导管瓣膜)临床经验的增加，这些装置的部署可能会变得足够标准化，从而实现自动化部署。机器人做到临床任务自动化的最大挑战是要能够预测、检测和响应所有可能的紧急情况
可植入的机器人能取代、恢复或增强相关生理过程，是一个新兴领域，也是目前手术机器人领域面临的又一重大挑战。为了推动这一领域的发展，必须提高机器人的生物相容性、可靠性、适应性、安全性和供电能力。为了维持长期的功能，充分的生物相容性是很重要的。此外，对于那些提供临时生理支持的植入物，设计成可吸收的植入物可以避免移除装置的手术需要。植入物的设计还必须能对变化的情况做出反应，比如运动。值得一提的是，虽然远程编程提供软件更新是有利的，但保障安全才是至关重要的，因此要防止一个人的器官被黑客攻击。最后，由于与起搏器等设备相比，机器人设备的功率要求较高，因此较高的无线功率传输能力至关重要。
手术机器人另一个新兴方向是微纳机器人。相关研究人员已经创造了能够在液体环境中移动的小型设备。虽然一些设备已经功能化，但这个领域仍然面临着许多重大挑战，比如：生物可降解和非细胞毒性的微机器人的开发、能够自我定向靶向的自主设备的开发、基于导管的微机器人在目标附近的传递、在体内对大量设备的跟踪和控制等。