全球首次！手术机器人自主完成猪体内腹腔镜手术

2022 年 2 月 7 日 学术头条

撰文：XT
编审：寇建超
排版：李雪薇

近几年，医疗市场对于手术机器人的需求持续增长，国内外多家巨头企业纷纷布局手术机器人市场，达芬奇手术机器人原一家独大的垄断局面逐步被打破。在资本的推动下，手术机器人在技术上不断取得新的进展，胸腔和腹腔镜手术机器人技术逐步成熟。

腔镜手术机器人被誉为“医疗器械领域的航空母舰”，是目前手术机器人领域系统极为复杂、技术难度极大、临床与商用价值极高的研发方向之一。尤其是在腹腔手术中，由于目标组织的进入和可见度有限，加上呼吸运动造成的伪影干扰，手术难度极大。

近日，来自约翰·霍普金斯大学的一个研究团队设计出一款智能组织自主机器人 STAR，该机器人在没有人类指导的情况下，成功完成对一头猪的软组织腹腔镜手术。

相关研究以“Autonomous robotic laparoscopic surgery for intestinal anastomosis”为题，发表在科学期刊 Science Robotics 上。

该研究实现了使用智能组织自主机器人（STAR）执行机器人腹腔镜小肠吻合术所需的增强自主性，并且能够在腹腔镜下实施增强的全吻合自主操作，标志着机器人技术向人类全自动手术迈出的重要一步。

图 | 机器人在没有人类帮助的情况下对猪的软组织进行了腹腔镜手术

该研究的作者之一、约翰·霍普金斯大学怀特工程学院机械工程助理教授 Axel Krieger 说：“我们的研究结果表明，我们可以将外科手术中最复杂、精细的任务之一实现自动化——重新连接肠道的两端。 STAR 在四只动物身上进行了手术，明显比医生进行同样的手术效果要好。”

首个在软组织中完成吻合术的自主手术机器人

外科手术机器人的发展已有多年，但多以辅助型手术系统为主，如处于世界尖端水平的达芬奇手术机器人，由外科医生控制机器人辅助进行手术，系统虽具有极高的精准性，但在实现自主手术上仍面临相当大的挑战。

自主软组织手术要求手术机器人具备准确可靠的成像系统，从而检测和跟踪目标组织，还需考虑软组织变形给手术带来的复杂度增加等因素，对机器人系统要求较高。腹腔镜手术就是一个典型的应用场景，由于目标组织的进入和可见度有限，加上呼吸运动造成的伪影干扰，导致手术难度极大。

在外科手术中，吻合术恰好是考察自主机器人手术系统进行软组织手术的一个合适场景。该手术的目的是将软组织的两个断端接起来，恢复连续的生理结构，如胃肠道吻合术、输卵管吻合术、肌腱吻合术等。在技术上，涉及腔结构的近似和重建，对手术的可操作性和可重复性要求极高。

尽管现有的自主手术机器人已取得明显进步，但多数系统在复杂任务中仍表现出较低的自主性，对医生的依赖性较高。

在该研究中，Axel Krieger 等人设计了一款面向腹腔镜手术场景的增强型自主 STAR 系统，并配备了专门的缝合工具和最先进的成像系统。成像系统使用近红外标记，可跟踪目标组织缝合过程的起点和终点，在手术过程中对血液和薄组织的闭塞具有较强的鲁棒性，系统的自主性和手术精度得以增强。

图 | 加强自主腹腔镜软组织手术（A：STAR系统的组成部分，包括医疗机器人手臂、驱动的手术工具以及双通道近红外和三维结构光内窥镜成像系统；B：STAR的增强型自主控制策略的控制架构）

连接肠道的两端可谓是胃肠手术中最具挑战性的一步，需要外科医生以高精度和一致性对肠道进行缝合，即使是手术中最轻微的手部颤抖或错位的缝线，均可能导致肠道内分泌物的泄漏，为患者带来灾难性的并发症。

研究人员使用 STAR 在猪小肠上进行体内腹腔镜自主手术。术前，操作员通过图形用户界面启动 STAR ，系统自主生成缝合算法并实施缝合任务。在缝合过程中，操作员会在 STAR 执行缝线计划之前通过 GUI 对缝合步骤进行微调，但大部分工作流程都是以自主方式完成的。

在腹腔镜手术期间，由于猪的呼吸和其他组织运动会导致手术目标组织的运动，给手术增加难度。为此，研究人员开发了一种基于卷积神经网络和近红外摄像机反馈的机器学习算法，来跟踪手术期间目标组织的运动。

Krieger 说：“软组织手术对机器人来说尤其困难，因为它的不可预测性迫使它们能够快速适应以应对意外的障碍。STAR 是一个新颖的控制系统，可以像外科医生一样实时调整手术计划。STAR 的特别之处在于，它是首个在软组织中自主规划、调整和执行手术计划的机器人系统，且手术过程中人工干预最少。”

缝合技术可与外科医生相媲美

为检测手术效果，研究人员对小猪进行了为期 1 周的术后存活期监测，并进行了有限的尸检。生存研究结果表明，STAR 系统可以在无泄漏吻合和管腔通畅等指标上与专家外科医生的表现相媲美，系统甚至表现出更高的一致性水平。

图 | 体内实验结果（A：用 STAR（n = 4）和手动腹腔镜对照试验（n = 1）操作的每个吻合口组织的代表性组织学例子；B) PMN 细胞作为每个样本的炎症的代用指；C：尸检时收集的吻合口的代表例子，用于 STAR 和对照测试。）

尽管该研究取得了突破性的进步，但在手术技术和效果上还存在一定的局限性。如，机器人控制算法的成功实施取决于目标组织在某个工作区域的可达性等因素，STAR 机器人、手动腹腔镜手术和遥控达芬奇手术的比较是在幻影组织上进行的，而体内研究不可能使用基于达芬奇的测试臂。

研究人员表示，在未来的研究中，将集成和测试无标记组织跟踪技术，将相机系统简化为内窥镜，并增加触觉传感器，进一步提高系统的自主性，加快机器人完成手术的时间。

尽管在复杂和不可预测的手术场景中无法消除人工监督的作用，但 STAR 系统可有效降低由于医生在医学经验和能力上的个体差异导致的手术风险，并提高手术安全性和手术结果的一致性。

Krieger 表示，随着医学领域朝着更多的腹腔镜手术方法发展，拥有一个为此类手术设计的自动化机器人系统显得非常重要。“机器人吻合术是确保每位患者都能以更高的准确性和精确度执行需要高精度和可重复性的手术任务的一种方法，而与外科医生的技能无关。我们假设这将导致患者护理的民主化手术方法具有更高的可预测和一致性。”

参考资料：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj2908
https://techxplore.com/news/2022-01-robot-laparoscopic-surgery-human.html

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