机器人医生准备做手术

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在患者鲜红的腹腔内，外科医生迈克•施蒂费尔曼（Michael Stifelman）小心谨慎地引导着两个机械臂进行缝合线打结。他操纵着第三只机械臂把针穿过患者肾脏的多肉部位，缝合切除肿瘤后的空洞。第四只机械臂拿着内诊镜，并把观察到的视觉信息连续不断地传到显示屏上。每个机械臂都是通过大约5毫米宽的微小切口进入患者体内的。观看这样复杂的手术过程，你会惊叹于机器人和人类竟然能协作完成这样细致的工作。作为纽约大学朗格尼机器人手术中心的主任，施蒂费尔曼通过操纵台控制机械臂，已完成了数千台由机器人辅助的外科手术。当他旋转自己的手腕并捏紧自己的手指时，病人体内的仪器会更小的幅度准确地执行同样的动作。“机器人和我是一体的。”他说，这时他的机械臂正在系紧另一个结。 

然而，如果某些机器人专家观看到机械臂的灵巧表现，他们不会认为这是现代社会的一个奇迹，而会认为这是浪费潜能。施蒂费尔曼毕竟是训练有素的专家，拥有精湛的技术和判断力——然而他却在这项手术的缝合收尾工作上浪费着他宝贵的时间。如果机器人能够独立完成这项冗长乏味的任务，外科医生就可以腾出时间从事更重要的工作。

如今的手术机器人扩展了外科医生的能力；它们的手不会颤抖，能够完成一些难度较高的操作，这些操作即使是最好的外科医生利用腹腔镜手术所用的长柄工具（有时被戏称为“筷子”）也无法胜任。但到目前为止，机器人只是由人类控制的更漂亮的工具。外科手术机器人公司泰坦医疗（TitanMedical）的执行副总裁丹尼斯•福勒（Dennis Fowler）和其他一些人认为，如果机器人可以自主决策并独立完成分配给它们的工作，将能带来更好的医疗服务。“这种技术干预能够增加可靠性并减少人的易错性所导致的失误。”福勒说。他在进入该行业前曾做过32年的外科医生。

赋予机器人这种更高级的任务并不勉强，学术和工业实验室正在迅速开发所需的技术。实验机器人主要处理人体组织的橡胶实物模型，进行缝合、清理伤口和切除肿瘤的工作。一些实验对比了机器人系统和人类的工作，结果显示，机器人更加精确、更有效率。而且就在上个月，华盛顿特区医院的机器人系统也印证了其在缝合猪小肠提取组织中的优势。研究人员让自主机器人与外科医生进行相同的缝合试验，比较后发现，机器人缝合得更均匀和紧密。

尽管这些系统还远不能用于临床，但它们或许代表了外科手术的未来。这是一个敏感的话题，因为这似乎暗示着外科医生可能会失业。手术室和流水线上的逻辑是一样的：如果自动化的提高能改进成果，那就没有什么能阻止它。

伦敦帝国理工学院肥胖症外科医生兼讲师乌坦•亚斯拉斐恩（Hutan Ashrafian）对机器人外科手术的成果有所研究，他经常写文章介绍人工智能在卫生保健领域的发展潜力：“我一直在考虑这个问题。”他承认。他认为利用自动化外科手术机器人是“不可避免的”，尽管他谨慎地定义了他的用词。就可预见的未来而言，亚斯拉斐恩预计外科手术机器人可以根据外科医生的指令来处理简单的任务。“我们的目标是改善患者的治疗效果。”他说，“如果使用机器人意味着挽救生命和降低风险，那么我们就有义务应用这些机器人。”

亚斯拉斐恩还进一步预测说，医学界最终将使用被视为人工智能的、有足够决策能力的下一代手术机器人，这是完全有可能的。这类机器不仅能处理日常工作，还能接管整个手术。亚斯拉斐恩说，期望归期望，目前还不太可能实现，但是技术创新之路将自然而然地带领我们走向那里。“这要一步步来，并且每一步都不会太大。”他说，“但是50年前的外科医生会认不出我的手术室，50年后，我预计手术的世界也将大有不同。” 

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手术机器人已经能在手术中自主决策和独立行动，这或许比你意识到的要频繁得多。在视力矫正手术中，机器人系统会切开患者眼角膜的皮瓣，然后用一连串激光脉冲重塑其内层。在膝关节置换手术中，自主机器人切骨比外科医生更精确。在昂贵的头发移植诊所，智能机器人首先会识别病人头上健康的毛囊并收集起来供秃顶处移植，然后按照精确的模式在头皮上刺出小孔，这为医生省去了很多个小时的重复劳动。

而胸部、腹部和盆腔区域内的软组织手术则是一项复杂的挑战。每个患者的解剖结构略有不同，因此自主机器人必须有能力准确地识别湿软的内脏和蜿蜒的血管。另外，在手术过程中，人体内脏的各个组成部分可能移位，因此机器人必须不断修改手术方案。

在危急时刻，机器人还必须要可靠。纽这种挑战在纽约大学手术中心得到了演示。施蒂费尔曼在切除肿瘤时松开了用于阻止血液流向肾脏的动脉夹钳。“现在我们必须确定不会大出血。”他围绕器官移动内窥镜时说。大部分切口的缝合看起来很整洁，但是突然一股鲜红的血液喷涌而出，喷满观察屏。“哦，伙计，你看到了吗？再给我拿根缝合线。”他指示助手。施蒂费尔曼一旦麻利地缝合止血，就可以开始进行常规的清理工作了。

对施蒂费尔曼来说，这在一天的工作中很常见，但是机器人医生如何处理意想不到的复杂问题呢？首先，机器人的成像和计算机视觉系统需要认识到红色液体涌出是一个严重的问题。接下来，机器人的决策软件必须算出缝合伤口的最佳方案。然后仪器操纵针和线，投入缝合工作。最后，评估程序将对结果进行评估，并决定是否有必要采取进一步行动。让机器人掌控每个步骤（感知、决策、行动和评估），这对工程师来说是一个巨大的挑战。

目前，施蒂费尔曼在新泽西州哈肯萨克大学医疗中心完成了一台他在纽约大学所做的那类手术，协助他手术的是达芬奇机器人。这个由加州桑尼维尔直觉外科（IntuitiveSurgical）公司制造的机器人价格高达250万美元，是美国监管机构批准的唯一的软组织手术机器人系统。达芬奇机器人是市场的主导者，已有超过3600台达芬奇机器人分布在世界各地的医院里。达芬奇机器人取得商业成功的道路并非一帆风顺；患者曾经因为手术时的不幸事故提起诉讼，而一项研究发现，这样的事故被漏报了。一些外科医生仍然在引证不同手术程序的病人预后研究所得出的不一致结果，争论手术机器人能否为手控操作的腹腔镜手术带来实实在在的好处。尽管有这样的争论，很多医院仍然已经向直觉外科公司的技术敞开怀抱，许多患者也在寻求它的帮助。

没有医生在手术中抓住控制台上的操作杆，达芬奇机器人的手臂就只是一些不会动的塑料和金属部件。直觉外科公司的高级系统研发负责人西蒙•迪马乔（Simon DiMaio）说，直觉外科公司打算保持现状。然而，他补充说，机器人专家已经开始了面向未来的研究，不断针对人类外科手术“提高计算机的辅助或指导水平”。

迪马乔把这方面的研究比作无人驾驶汽车的早期尝试。“最初的步骤是识别路标、障碍、汽车和行人。”他表示。接着，工程师们制造智能汽车，智能汽车利用它们对环境的认识帮助驾驶员。例如，如果汽车知道周围车辆的位置，当驾驶员因考虑不周打算变道时，汽车就会向他/她发出警告。手术机器人若是也想发出类似的警告，比如提醒外科医生仪器偏离了通常路径，那么它们就需要得到更智能的优化。幸运的是，有一些手术机器人正在接受训练。 

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加州大学伯克利分校实验室角落里放着的手术机器人虽然还不能进行打结的工作，但它非常擅长缝合。当对模拟肉块进行操作时，一只机械臂将一根弧形黄色的缝合针穿过模拟伤口的两边。第二只机械抓手拉住针，收紧线。其间，没有人手参与和指导机械臂的动作，也没有人类大脑帮助绘制机械臂的行动方向。自主机器人就这样一针一针地完成伤口缝合。

当机器人进行缝合操作时，肯•戈尔德贝尔格（Ken Goldbberg）教授围着实验室飞奔，看起来就像一个头发蓬乱的布偶。作为伯克利自动化科学与工程实验室的负责人，以及包括电气工程和艺术在内的4个系的教授，戈尔德贝尔格在发掘机器人精湛技艺方面享有盛誉。实验室的墙上挂着他的画像，画像中他的脸和身体被涂上一块块的红色和蓝色，这幅画是他早期设计的一台机器人创作的。

他的实验室里正被缝合的“肉”只是粉色橡胶，但技术却是货真价实的。2013年，直觉外科公司开始向全球的大学研究人员们捐赠二手的达芬奇系统。因此，当戈尔德贝尔格训练他的达芬奇机器人独立完成手术任务时，同样的程序从理论上说可以指导商业系统给真正的病人做手术。“我们还处于测试阶段。”戈尔德贝尔格说，“但总有一天，我们将付诸实践。”他相信，未来10年内，简单的外科手术将实现自动化。

为顺利完成自动缝合任务，戈尔德贝尔格的达芬奇会计算出每针的最佳扎针和抽针点，设计出针的轨迹，并利用位置传感器和摄像机追踪针的移动情况。为方便计算机视觉系统识别，缝合针被涂上嫩黄色。这项任务依然艰难。戈尔德贝尔格公布的结果报告表明，机器人完成4针缝合过程的成功率只有50%；很多时候都是因为第二只机械手不能抓住针或将缝合线弄乱而导致缝合失败。

教授要明确的是：即便机器人确实可以很好地完成常规的手术工作，它也依旧需要外科医生的监督。戈尔德贝尔格所设想的是“受监督的自主”。“外科医生还是掌控者。”他说，“只有较低水平的工作由机器人处理。”如果机器人可以精确并协调地完成任务——“想想缝纫机与手缝针。”他说——机器和人的格式塔就有可能创造超级医生。

戈尔德贝尔格说，随着机器人越来越完善，它们很快将被投入临床使用，因为手术机器人开始自主学习了。在戈尔德贝尔格团队最新的示范学习实验中，由8位拥有不同技能水平的医生使用机械臂进行4针缝合任务，与此同时由达芬奇记录数据。机器学习算法首先获得视觉和运动数据，然后针对每一针划分成可以逐一按顺序处理的步骤（定位针的位置、推针等）。通过这种方法，达芬奇机器人很有可能学会进行任何手术。

戈尔德贝尔格相信，示范学习是唯一有效的办法。“我们认为机器人学习是目前最有趣的领域。”他说，“因为试图根据第一原理来编程还没有形成规模。”当然，任务很多，而复杂的任务可能需要机器人从上千台手术中获得数据。但是数据是丰富的。戈尔德贝尔格指出，每年，医生利用达芬奇做的手术超过50万台。如果外科医生们分享这些手术的数据（病人的隐私会得到保护），并准许人工智能来学习这些数据的话，会怎么样呢？例如，每次手术都用辅助机器人来为肾脏缝合伤口。那么人工智能就会提炼出它对这一过程的理解。“系统会提取数据，改进算法，对工作进行微调。”戈尔德贝尔格说，“我们全体都会变得越来越聪明。” 

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手术室里的自动化不需要针和手术刀等任何尖锐和危险的物品。目前已在市场上投放手术机器人的两家公司都开发了能够自动移动的摄像机，为医生提供他们想要的视图，几乎就像读懂了医生的思想一样。目前，使用直觉外科公司达芬奇机器的医生，还不得不停下手头的工作来移动摄像机或告诉助手如何调整它的位置。

位于北卡罗来纳州莫里斯维尔的TransEnterix公司试图用其Alf-X手术系统超越达芬奇，该系统目前在欧洲可以买到。Alf-X系统包括一个人眼视觉追踪器，这台追踪器被内置在手术观察台，控制着内窥镜。内窥镜是一台薄薄的光纤摄像机，可以在患者体内蜿蜒而行。当外科医生浏览观察屏时，Alf-X会移动摄像机以使医生感兴趣的点保持在画面的中心位置。“医生的眼睛变成了电脑的鼠标。”TransEnteris公司的首席技术官安东尼•费尔南多（Anthony Fernando）解释说。

总部位于多伦多的泰坦医疗公司所开发的运动手术系统采取另一种方式实现自动成像。该系统在人体腔内嵌入微型机器人摄像机，这些摄像机能够根据手术工具的位置来旋转或改变指向。泰坦医疗公司的福勒说，这类自动化技术是机器人手术的第一步，既合乎情理，又不会惊动监管机构。2016年泰坦公司在欧洲以及接下来在美国申请市场许可时，福勒认为摄像机系统不会引起质疑。“但是如果自动化是指计算机控制着实际切割的工具，我们预计需要进行更多的测试。”他说。

直觉外科公司很快也将面临来自实力雄厚的竞争者的挑战。全球最大的医疗器械公司之一——美敦力公司正在开发手术机器人系统，但尚未公开具体内容。类似地，谷歌与强生公司强强联合，于去年建立了一家名为VerbSurgical的新合资公司，致力于开发“拥有领先的机器人能力”的系统，公司在新闻稿中这样说。随着此类活动的风起云涌，分析家预测，相关市场将呈现繁荣景象。WinterGreen产业调查公司最近的一份研究报告预测，全球腹部手术机器人（包括达芬奇及其竞争产品）的市场价值将从2014年的22亿美元增长到2021年的105亿美元。

如果预测成真，且机器人医生进入手术室变得司空见惯，那么信任机器人并把越来越多的复杂工作交给它们就会顺理成章了。如果机器人证明自己值得信赖，外科医生的角色可能会发生巨大转变。未来，医生问诊病人和制定疗程后，只需监督机器人执行医生的指令即可。

对人工智能颇感兴趣的伦敦肥胖症外科医生亚斯拉斐恩表示，实际上行业或许会接受这样的转变。他说，医学历史表明，外科医生“痴迷于提高自己的表现”。亚斯拉斐恩接着补充说他们愿意接受任何有益的工具。“手术刀不再是手术的唯一工具。”亚斯拉斐恩笑着说。如果自主机器人完全胜任手术工作，也将适应同样的原则。为了追求完美，外科医生最终也许会放弃亲自操刀手术。

作者： Eliza Strickland

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