眼科手术机器人——医生更亮的眼、更稳的手

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解锁更多智能之美

【摘要】 围绕显微外科手术机器人的研究背景、国内外研究现状、应用场景和发展趋势四个方面，自动化所边桂彬研究员系统介绍了当前显微手术机器人的研究进展。

手术机器人应用前景广阔

外科手术中，有一类手术是在显微镜下做的，叫做显微手术，眼科手术就是其中一个很重要的应用。在手术场景中，医生需要在显微镜下做一些精细的手术操作，而操作精细正是眼科手术的一个重要特点。

举一个极限的例子：眼底血管发生栓塞应该怎么办？现在同仁医院等眼科对这种病症还没有有效的治疗办法。如果我们心血管或外周血管有问题，可以通过放支架解决。但是对于眼底血管，我们目前还束手无策。

显微手术操作力比较小，操作姿势受限。对于40岁以上的医生来说，颈椎病、腰椎病和他们的职业相关性是比较强的。同时，医生手术操作的学习曲线也比较长，操作技巧比较高，这是一些手术的共性问题。

怎么利用机器人技术、人工智能技术降低操作难度，是我们要完成的工作。

另外，神经外科是显微手术的另一个重要领域。神经外科面临着一个主要的问题是对颅内肿瘤进行精准的操作，比如精准切除。如果肿瘤切除不彻底，会带来肿瘤继续生长的问题。

除了眼科、神经外科，很多科室做外科手术的时候，细小血管吻合和细小神经吻合也是一个重要的应用领域。比如平时遇到的划伤、刀伤等创伤可能在手术和康复完以后出现一些感知功能和之前不太一样的问题，原因就是小血管或者小神经没有吻合。

在这个背景下，国际和国内在进行的研究路线都是机器人在医疗外科上面的应用。

手术机器人研发和产业化的探索

文献显示，在1985、1986年的时候，工业机器人用于神经外科的立体影像研究。因为医疗市场是需要培育的，所以到2007、2008年的时候，手术机器人才开始大卖。

在国际显微外科领域，美国约翰霍普金斯大学手术机器人是末端灵活的操作机构。它把光纤传感器布置在手术机械的末端来进行精确的感知，从而扩展人手的感知能力。因为医生在操作的时候75%的操作力是感觉不到的。用上传感器之后，医生的感知能力就会达到毫牛级。

在产业化进展上，欧洲的速度更快一些。欧洲几家单位联合在牛津大学附属医院开展临床研究，并在2016年9月完成了首例临床实验，预计近一两年就可以拿到医疗器械证。他们的研究是针对眼底黄斑前膜的剥离。这个机器人还可以实现一些精准操作，比如把基因药物注射到视网膜下。这类操作是现在用人手很难完成的。举个例子，如果拿一根针穿线，在显微镜下放大到十几倍，人的手都是颤抖的。用机器人把操作颤抖的频率抑制掉，就能让医生做更精准的治疗。

在国内，北航是国内比较早做手术机器人的研究机构，最早用于神经外科，在2003、2004年做视网膜搭桥手术的眼科机器人。

两三年前中科院自动化所牵头启动这项研究工作，我们的解决方案是以虹膜为标记，实时追踪到眼球的位置，把显微镜的影像高速传输在3D屏幕上，在显示的立体影像上做场景理解、器械跟踪和软组织跟踪等功能，借助计算机智能识别和自动化的手段实现医生的远程操作，完成青光眼微导管递送、白内障连续环形撕囊、眼底黄斑前膜剥离、视网膜血管注药等多种精准的手术辅助操作和导航操作。

《Science》的机器人子刊把医疗机器人自主化水平分为六个等级——最低的没有智能，最高的则不需要任何医生，由机器人完全操作。我们现在做的工作，就是把机器人提升一到两个自主化水平，让手术更精准，让新手医生快速学习到专家医生的手术技能。

手术机器人可以规范手术流程和操作

医生的操作水平是非常高的，但是每个专家医生有他自己操作流程，有时按照规范流程，有时候则按照自己的独有的心得进行。此时，手术流程评估就有重要的参考价值。

约束控制是我们要实现的一个目的，相当于机器人跟操作的医生有一个实时手把手的协作。因为有时候医生在操作的时候，即使是专家医生，也不会每次都完美。所以我们会把这个专家最好的操作控制放在约束控制当中去。

其次，主任医生在教学传承经验的时候，有很多描述都是定性的，没有一个定量化的标准。我们做多模信息融合，通过多种传感器采集医生的操作数据，从这些数据当中提取医生操作技能和操作偏好，将操作流程量化，可以加快并优化手术技术的传承。

边桂彬正在领衔眼科手术机器人的研发，他表示“我们现在已经获得了一些项目的支持，合作的医院有北京同仁医院、天坛医院、中山大学眼科中心、郑大一附院等。”

边桂彬，中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室研究员，国家重点研发计划项目负责人，中科院创新交叉团队项目负责人，中国科学院青年创新促进会会员，英国皇家学会“牛顿基金”获得者，IEEE神经机器人系统技术委员会委员，中国公共服务机器人标准化工作组专家委委员。研究方向为医疗机器人、智能控制与人机交互技术。

摘编自：“2019世界机器人大会——大湾区机器人生态协同发展论坛” 《显微手术机器人研究进展》报告

首发：亿欧

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来源：亿欧

作者：边桂彬

编辑：鲁宁

排版：刘琪

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