机器人在最少的人工帮助下进行软组织手术

如果您的下一次手术是由机器人计划和执行的呢？约翰霍普金斯大学的一个团队正在努力将这一想法变为现实。

机器人辅助手术的概念并不新鲜：一些系统已经被开发出来并被用于治疗人类患者。一个例子是达芬奇手术系统，这是一种带有机械臂的腹腔镜设备，由外科医生远程控制。这个系统不是自主的——机器人不会独立执行任何手术任务。

已经开发了具有更高自主性的其他机器人系统，例如 TSolution One ^® ，它使用机器人根据预先指定的计划精确切割骨头。

现有的自主机器人系统已在很大程度上用于协助涉及硬组织的手术，例如为髋关节或膝关节植入物钻孔。但这些系统尚未用于软组织手术，这带来了独特的挑战，例如考虑患者呼吸时发生的不可预测的组织运动，或手术工具的尺寸限制。

现在，NIBIB 资助的研究人员正在开发一种自主机器人，可以在外科医生的帮助下进行肠道手术。更重要的是，在临床前模型中进行正面比较时，机器人的表现优于专家外科医生。最近发表在Science Robotics上的一项研究详细介绍了这种机器人的发展，展示了第一个已知的自主腹腔镜软组织手术 .

“手术结果在很大程度上取决于外科医生的技能和经验，即使是肠道手术中的一针漏针也可能导致内部泄漏和感染，”探索科学与技术部项目主任 Moria Bittmann 博士说在国家生物医学成像和生物工程研究所。 “这项临床前工作是朝着软组织自主机器人手术迈出的重要一步，它可以在独立于外科医生的情况下为人类患者提供更高的疗效和安全性。”

该机器人名为 STAR（智能组织自主机器人），由约翰霍普金斯大学的 Axel Krieger 博士和他的同事开发。到目前为止，该机器人已被开发用于在外科医生的监督和指导下进行肠道吻合术——将两段小肠缝合在一起形成一个连续的部分。 Krieger 解释了机器人如何执行手术：在外科医生手动暴露组织边缘后，STAR 会拍摄图像并根据组织的形状和厚度制定缝合放置计划。一旦人工操作员批准该计划，STAR 就会独立地将组织缝合在一起。如果组织变形或移动超过设定的阈值，STAR 会询问外科医生是否应该制定新的手术计划。重复这个过程，直到机器人完成整个过程。

“通过结合新型缝合工具、成像系统、机器学习算法和机器人控制，STAR 系统能够克服软组织自主腹腔镜手术的挑战，”Krieger 说。 “STAR 可以可视化手术场景，生成手术计划，然后以高精度和高精度执行这些计划。”然而，他指出，STAR 并不是要取代外科医生。 “像 STAR 这样的自主机器人旨在与外科医生一起融入手术工作流程，提高精确、重复性任务的执行能力，并最终提高患者之间的手术一致性。”

为了评估 STAR 与专家外科医生相比的表现如何，研究人员使用“幻影”肠组织作为模型系统。一个合成的小肠被安装在一个线性平台上，该平台被编程为来回移动，模拟手术期间会发生的呼吸运动。此外，在这些实验中，幻影组织随机旋转和变形，需要 STAR 或外科医生暂停、重新组合并完成手术，他说。 STAR 对幻影组织进行了五次手术，四名外科医生以两种不同的方式进行了手术——两次使用传统的手动腹腔镜检查，两次使用不同的机器人辅助系统。

与专业外科医生相比，STAR 的错误更少，缝合间距和深度更一致。此外，当研究人员将粘性液体流过切除的幻肠时，他们发现在 STAR 重建的组织中，流动是最层流的（流畅和流线型），表明吻合质量高于专家外科医生的吻合。

最后，在大型动物模型中评估了 STAR 的性能。对五头猪进行了肠吻合术。其中四只动物的手术是通过 STAR 进行的，第五只动物的手术是通过传统的手动腹腔镜检查进行的。与幻影实验类似，与专家外科医生相比，STAR 犯的错误更少。此外，当研究人员分析术后 7 天切除的肠道愈合情况时，两种不同手术方法的伤口愈合情况没有明显差异。

“我们的结果表明，在执行缝合任务时，STAR 比专业外科医生更加一致和准确，”Krieger 说。他指出，他们的研究结果表明，自主手术机器人具有使手术护理民主化的潜力——这可能导致更可预测和更一致的患者结果。

“虽然许多人可能对让机器执行传统上由人类执行的专门任务感到犹豫，但机器人系统有可能改善医疗环境中的患者治疗效果，”克里格说。 “就像公众已经接受了汽车中逐渐涌入的巡航控制、车道辅助和自动泊车功能——这最终将导致自动驾驶汽车——我认为我们将在医疗机器人领域看到类似的进展。 ”