科學(xué)家研制出新型手術(shù)機器人可讓手術(shù)更完美

　　作為新一代手術(shù)機器人，“烏鴉”已進(jìn)入全美最領(lǐng)先的多家實(shí)驗室。更加完美的手術(shù)和醫生之間的遠程合作將得以實(shí)現

　　烏鴉的名聲向來(lái)不大好聽(tīng)，但美國華盛頓大學(xué)的電子工程教授布雷克。漢納福德和加州大學(xué)圣克魯茲分校(UCSC)的雅各布。羅森等人正在致力于改變?yōu)貘f在人們腦海中固有的印象。今年2月，他們向全美多所大學(xué)發(fā)放了一批有鳥(niǎo)翼樣機械臂的醫用機器人，這種機器人就被命名為——“烏鴉”。

　　如今，在機器人輔助外科手術(shù)設備中，占主導地位的是靠控制臺操縱的“達芬奇外科手術(shù)系統”。該裝置模擬外科醫生手部的運動(dòng)，并等比例地放緩，這樣就可以利用微創(chuàng )切口來(lái)進(jìn)行手術(shù)了。商用手術(shù)機器人系統的主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)小切口時(shí)相當靈活，和現有常規外科技術(shù)相比，用這種方式做手術(shù)對病人造成的組織損傷小，康復得更快。

　　迄今為止，“達芬奇”系統已經(jīng)生產(chǎn)了幾千套，據估計，全世界每年使用該系統的手術(shù)超過(guò)20萬(wàn)臺。從2000年美國食品與藥品管理局(FDA)批準“達芬奇”機器人用于人體算起，它至今仍是唯一獲得FDA批準銷(xiāo)售的機器人手術(shù)系統。但是，“達芬奇”還遠不夠完美。首先，它是固定裝置，且重達半噸，這就限制了其調配使用。而且，它售價(jià)高達180萬(wàn)美元，不是每家醫院都買(mǎi)得起，只有那些有錢(qián)的醫療機構才能夠擁有。此外，由于“達芬奇”需要專(zhuān)用的軟件才能使用，所以那些熱衷于研究機器人的技術(shù)人員，即使買(mǎi)得起“達芬奇”，自己也無(wú)法對其操作系統進(jìn)行調整。

　　共享的“烏鴉”

　　“烏鴉”手術(shù)機器人就沒(méi)有“達芬奇”的這些缺點(diǎn)?！盀貘f”的原型最初是2005年由漢納福德和羅森為美國軍方研制的戰地手術(shù)機器人。相對于“達芬奇”而言，它緊湊、輕便又價(jià)廉，價(jià)格大約在25萬(wàn)美元。新版“烏鴉”的體積更小，機械手更為靈巧，可以在手術(shù)過(guò)程中拿住手術(shù)器具。更重要的是，對于研究而言，它也是最先使用開(kāi)放源軟件的手術(shù)機器人，由于采用Linux操作系統，允許用戶(hù)根據需要自行修改代碼，這讓它可以很容易地與其他裝置相連接，為研究人員進(jìn)行外科手術(shù)的實(shí)驗和協(xié)作創(chuàng )建了一條通路。

　　羅森和擔任華盛頓大學(xué)生物機器人實(shí)驗室主任的漢納福德共同領(lǐng)導研制“烏鴉Ⅱ”機器人手術(shù)系統的研究小組，在美國國家科學(xué)基金會(huì )的資助下，已經(jīng)制造了7套 “烏鴉Ⅱ”系統。目前，這些設備是為美國主要的醫學(xué)實(shí)驗室而制造的。在完成最后一輪測試后，其中五個(gè)系統已經(jīng)被運送到哈佛大學(xué)、約翰?；羝战鹚勾髮W(xué)等機構的醫用機器人研究所，另外兩套系統則留在加州大學(xué)圣克魯斯分校和華盛頓大學(xué)。

　　“烏鴉Ⅱ”系統具有兩條機械臂、一個(gè)觀(guān)察手術(shù)現場(chǎng)的攝像頭和一個(gè)可以進(jìn)行在線(xiàn)遠程手術(shù)的機器人手術(shù)界面。它允許醫生從遠程位置操作機器人系統，可以為偏遠地區或發(fā)展中國家提供更好的專(zhuān)家醫療。有了實(shí)驗室研究網(wǎng)絡(luò )的公共平臺，各大學(xué)的研究人員可以分享軟件、重復試驗，并在其他方面展開(kāi)合作。

　　即使這意味著(zhù)給競爭對手提供自己花好幾年時(shí)間才研究出來(lái)的工具，羅森和漢納福德還是決定分享“烏鴉Ⅱ”的成果，因為這似乎是推動(dòng)這一領(lǐng)域進(jìn)步的最佳路徑。

　　美國大部分手術(shù)機器人的研究都集中開(kāi)發(fā)各種不同機器人系統的軟件，學(xué)術(shù)人員沒(méi)有權限研究這些私人系統。羅森說(shuō)，“通過(guò)在學(xué)術(shù)界內提供高質(zhì)量的硬件，我們正在改變這一現狀。每個(gè)實(shí)驗室都從一個(gè)相同的操作系統開(kāi)始，他們研究的結果和提出的改進(jìn)都將儲存在一個(gè)在線(xiàn)知識庫中，對所有人開(kāi)放，彼此可以交換硬件和軟件，并分享新的進(jìn)展和算法，同時(shí)又可以保留自己發(fā)明的知識產(chǎn)權?！?/P>

　　目前，哈佛大學(xué)的羅伯。豪和他的團隊正在試驗利用“烏鴉”機器人在跳動(dòng)的心臟上做手術(shù)。與此同時(shí)，加州大學(xué)洛杉磯分校的沃倫。谷倫德菲斯特正致力于使通過(guò)觸覺(jué)實(shí)現人機交流的研究。加州大學(xué)伯克利分校的派伊特。艾貝爾和肯。高博格正在嘗試教導機器人通過(guò)模擬醫生的手法而自動(dòng)做手術(shù)。而羅森博士自己正在潛心研究外科醫生與手術(shù)機器人如何通力協(xié)作的方法。

　　美國食品與藥品管理局還沒(méi)有批準研究型“烏鴉”用作人體的手術(shù)，所以，目前所有的研究都被限定在用動(dòng)物或人類(lèi)尸體做手術(shù)。但是，研究人員相信，只要經(jīng)過(guò)足夠的試驗，隨著(zhù)時(shí)間的推移，“烏鴉”遲早會(huì )得到FDA的批準。

　　讓手術(shù)更完美

　　為什么現在的心臟外科手術(shù)做不到更加完美呢？其中主要原因是人類(lèi)視覺(jué)和動(dòng)作的限制。醫生在一個(gè)打開(kāi)的胸腔中修復心臟時(shí)，他的肉眼并不能看清一切，就算是訓練有素的外科醫生，僅憑其雙手也不能精確地感受到手術(shù)部位的一切。

　　為此，哈佛大學(xué)生物機器人實(shí)驗室教授羅伯特。豪想給外科醫生配備一個(gè)機器人助手。豪和他的團隊測試“烏鴉”機器人的目的，是幫助外科醫生在心臟周?chē)^(guān)察和導航。該系統運用3D超聲成像來(lái)實(shí)時(shí)呈現人體內部器官?！爸钡浆F在，所有的超聲波掃描儀產(chǎn)生的都是2D切面圖像，因而沒(méi)有充分顯示心臟的影像，不足以讓外科醫生有效地工作?！焙勒f(shuō)，“我們獲得的是用掃描儀產(chǎn)生的立體圖像，用我們所編寫(xiě)的快速圖像加工軟件可以定位目標組織和手術(shù)器械?！?/P>

　　現在，像“達芬奇”這樣的機器人，目的都是復制人的動(dòng)作并輔助人的感知。但是，專(zhuān)長(cháng)于計算機視覺(jué)研究的約翰?；羝战鹚勾髮W(xué)計算機科學(xué)教授格雷戈里。海格認為，“烏鴉”還有更多的提升空間，他說(shuō)：“手術(shù)機器人的目的，就是要做超過(guò)人的能力所及的事情，要做到這一點(diǎn)，就需要機器人智能到能夠看出醫生正在做什么，并及時(shí)提供適當的輔助。出于安全的考慮，還可以遠程設置手術(shù)的禁區，所有這些都在研制中?！?/P>

　　“烏鴉”機器人軟件可以在一個(gè)高性能圖像處理計算機上運行，這種計算機和那些頂級配置的游戲電腦類(lèi)似。豪指出，可以產(chǎn)生高質(zhì)量電腦游戲圖像的處理器，對于實(shí)時(shí)醫學(xué)成像是很理想的。他說(shuō)，“我們需要強大的處理能力，這是因為超聲掃描儀產(chǎn)生數據的傳送速度很快。此外，由于超聲波圖有噪聲，所以需要一種復雜的算法來(lái)穿過(guò)噪聲追蹤目標?！?/P>

　　在哈佛，豪和他的團隊在實(shí)驗室的機器人上利用一種單一快速的動(dòng)作，來(lái)配合心臟的跳動(dòng)。當手術(shù)儀器到達器官時(shí)，周?chē)目刂苹芈逢P(guān)閉，儀器就會(huì )自動(dòng)移動(dòng)，與心臟組織的跳動(dòng)串接?！搬t生可以命令機器人的動(dòng)作與心臟的博動(dòng)相呼應，”他說(shuō)，“在理想的情況下，這就好像醫生是在靜止的心臟上做手術(shù)?！?/P>

　　海格的小組正在研究手術(shù)機器人是否能使得創(chuàng )傷性手術(shù)更安全，比如內窺鏡鼻竇手術(shù)是利用鼻內窺鏡治療鼻息肉和鼻竇炎的方法。這是一種有風(fēng)險的手術(shù)，因為鼻竇靠近至關(guān)重要的眼睛和大腦?！爱斈阕鲞@樣一個(gè)手術(shù)時(shí)，鼻竇是進(jìn)入頭部中心的干線(xiàn)，大腦組織就在那里，”海格說(shuō)，“當你進(jìn)入時(shí)，那里有很多‘地雷’，你需要經(jīng)過(guò)視神經(jīng)、頸動(dòng)脈，還有控制面部運動(dòng)的顱面神經(jīng)?！?/P>

　　出血和解剖變化會(huì )妨礙外科醫生的觀(guān)察，而破壞這些關(guān)鍵的組織結構會(huì )導致顱內出血?！盀貘f”系統可能會(huì )改進(jìn)現有的CT導航系統，在醫生進(jìn)行鼻竇手術(shù)時(shí)，應用的是安裝在鼻竇內窺鏡端部可以確定3D位置的成像系統。

　　海格說(shuō)，5年至10年以后，醫學(xué)院的學(xué)生可能會(huì )把“烏鴉”作為一種外科學(xué)習的工具。這個(gè)系統可以記錄專(zhuān)家在縫合、切除以及其他手術(shù)操作中的手法，使得該系統可以衡量和比較年輕醫生做同樣手術(shù)時(shí)的能力。

　　羅森和他的同事已經(jīng)在研制“烏鴉IV”手術(shù)機器人系統，這個(gè)系統包括四個(gè)機械臂和兩臺相機，這一系統可以讓在不同地點(diǎn)工作的外科醫生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行合作。要不了多久，不同手術(shù)室之間的遠程控制與合作，將是稀松平常的事情。