机器人外科医生：最小人工干预下的软组织手术

如果你的下一台手术由机器人规划并实施，你会怎么想？约翰霍普金斯大学团队正致力于将这一构想变为现实。

机器人辅助手术非新概念，但自主性是关键

机器人辅助手术概念并不新鲜：已有多个系统开发并用于治疗患者。例如达芬奇手术系统，一种腹腔镜设备，其机械臂由外科医生远程控制。该系统非自主——机器人不独立执行任何手术任务。

其他自主性更高的机器人系统也已开发，如TSolution One®，利用机器人按预设计划精确切削骨骼。

现有自主机器人系统主要用于硬组织手术，如髋膝植入的钻骨。但这些系统未用于软组织手术，后者面临独特挑战：如患者呼吸导致的不可预测组织运动、手术工具尺寸限制等。

STAR机器人：自主腹腔镜软组织手术突破

美国国家生物医学成像与生物工程研究所（NIBIB）资助研究人员开发一种自主机器人，能在外科医生极少协助下实施肠道手术。更关键的是，在临床前模型中，该机器人表现优于专家外科医生。详述该机器人开发的研究——展示首例已知自主腹腔镜软组织手术——近期发表于《Science Robotics》。

“手术结果高度依赖外科医生技术和经验，肠道手术中哪怕一针失误都可能导致内漏和感染，”NIBIB发现科学与技术部项目主任Moria Bittmann博士说，“这项临床前工作是迈向软组织自主机器人手术的重要一步，有望在独立于外科医生的情况下，为人类患者提供更高疗效和安全性。”

名为STAR（智能组织自主机器人）的机器人由约翰霍普金斯大学Axel Krieger博士及其同事开发。目前，机器人在外科医生监督指导下执行肠吻合术——将两段小肠缝合成单一连续段。Krieger解释了机器人执行过程：外科医生手动暴露组织边缘后，STAR拍摄图像，基于组织形状和厚度制定缝合针位置计划。人工操作员批准计划后，STAR自主缝合组织。若组织变形或移动超出设定阈值，STAR会询问外科医生是否需制定新手术计划。此过程重复直至机器人完成整个手术。

“通过整合新型缝合工具、成像系统、机器学习算法和机器人控制，STAR系统能克服自主腹腔镜软组织手术的挑战，”Krieger说，“STAR能可视化手术场景、生成手术计划，并以高精度执行。”但他指出，STAR不旨在取代外科医生。“像STAR这样的自主机器人旨在融入手术工作流，与外科医生协同，增强精准重复任务的表现，最终提高患者间手术一致性。”

幻体与大动物实验验证优势

为评估STAR与专家外科医生表现，研究人员使用“幻体”肠组织模型。合成小肠安装在程控往复运动的线性台上，模拟手术中的呼吸运动。实验中幻体组织随机旋转变形，要求STAR或外科医生暂停、重组、完成手术。STAR在幻体组织上执行5次手术，4位外科医生各以两种方式各执行2次——传统手动腹腔镜和另一种机器人辅助系统。

与专家外科医生相比，STAR错误更少，缝合间距和深度更一致。此外，研究人员将粘性液体灌流切除的幻体肠管，发现STAR重建组织的流动最层流（平滑流线型），表明其吻合质量高于专家外科医生。

最后，在大动物模型中评估STAR表现。5头猪接受肠吻合术，4头由STAR操作，1头传统手动腹腔镜。类似幻体实验，STAR错误更少。术后7天愈合分析显示，两种手术方法的伤口愈合无可观察差异。

“结果表明STAR在缝合任务上比专家外科医生更一致、更准确，”Krieger说。他指出，研究展示了自主手术机器人实现外科护理普及化的潜力——可带来更可预测、一致的患者预后。

“许多人可能犹豫让机器执行传统上由人类完成的专业任务，但机器人系统有潜力改善医疗环境中的患者预后，”Krieger说，“正如公众逐渐接受汽车的定速巡航、车道保持、自动泊车——最终通向自动驾驶——我认为医疗机器人领域将见证类似进程。”