15/15從外科醫生的角度談智能手術機器人研發隨著智能化和機械化時代的到來，機器人在醫療領域也有著越來越多的應用場景，比如機器人輔助影像學閱片，比如機器人輔助癱瘓患者康復鍛煉，比如機器人代替護士為患者發送藥物等等。其中在外科領域，近年來手術機器人產業也如雨后春筍一般蓬勃發展，包括以達芬奇為代表的軟組織手術機器人，和骨科手術機器人為代表的硬組織導航手術機器人。

各種手術機器人都有著其獨特的設計初衷與思路，通過不同的工科手段控制機器臂，輔助完成部分/全部臨床手術操作，滿足不同的臨床手術需求，希望通過機器臂輔助增加外科手術的精準性，達到提高手術療效、減少手術相關并發癥、縮短手術時間的目的。

不同的機器人原理不盡相同，從外觀到內部構造差異巨大，作為一名醫生，這不是我的專業，無法準確做出評價。但外科醫生是使用操作機器人的主體，醫生肯定希望機器人產品好用、實用。那不如我們換一個角度，外科醫生需要什么樣的智能手術機器人呢？我們的需求是否有什么共通之處呢？是否我們的需求有著共同的解決辦法呢？下面我就從這個方面談談我的想法。

01智能化手術機器人的層次

在討論我們外科醫生需要什么樣的手術機器人前，我覺得有必要把“機器人”進行一些層次的劃分，不同層次的機器人滿足不同層次的需求，在不同的臨床層次上進行應用。

（一）層次1，機器。機器具有這么幾個特點：

第一，重復性，機器可以按照指令反復完成重復性操作，保證每次操作的準確性和一致性，重復性操作中每次操作的差異很小。

第二，無疲勞性，機器主要靠電能驅動，無疲勞感，每次操作的力度均勻一致，不像人力操作，重復多次操作后會產生體力和精神上的疲勞感。

第三，穩定性，機器擁有足夠的穩定性，在完成某些精細操作時比人力穩定性更強，人力會受到肌肉的力量、耐力、協調性等影響。

第四，準確性，機器會根據設定好的空間坐標系，準確的從A點移動至B點，或找到空間坐標系中的任意一點，而人力不論是從A點到B點的移動，或尋找任意一點，都需要較強的空間方位感。

（二）層次2，機器人：當從層次1的機器進化到層次2的機器人時，就要具備一些特殊的能力。人除了有靈活活動的肢體外，還有視覺、聽覺、觸覺等感知覺。

因此我覺得機器人這個層次，應該也同樣具有這些感知覺，比如機器人擁有視覺，可以主動監視機械臂的空間運動軌跡，或者把人體組織進行放大顯示，或者通過虛擬影像將重要組織（如腫瘤組織、血管、神經等）進行顯示；具有聽覺，可以接受操作者的語音指令信息；具有觸覺，即力學反饋，告知操作者是否觸及人體組織，及觸及了什么質地的人體組織。

（三）層次3，智能機器人：當從層次2的機器人進化到層次3的智能機器人時，無疑是要給機器人系統賦予人工智能。

機器人可以具有一定的思維能力，比如糾錯能力，當機器人的視覺系統收集信息，發現機器臂沒有按照既定軌跡進行運轉操作時，及時報警或停止操作；比如規劃能力，機器人可以預先設計好機器臂的運動軌跡，并提交操作者進行判斷是否準確可行；比如分析能力，機器人可以通過聽覺系統識別操作者的命令要求，可以通過觸覺系統識別觸碰到的人體組織類型。

由此可見，當“機器人”每進化一個層次，它都更像一個真正的“人”而非單純機械，都會具有更加強大的功能，也能為操作者（外科醫生）提供更好的幫助，其應用場景也就更加廣泛。但目前為止，我覺得臨床上現有這些機器人都處于第一個及部分第二個層次，這就限制了其臨床應用。

02外科醫生需要什么樣的智能化手術機器人

追求更高層次的機器人，肯定能更好的服務于臨床。但具體上，外科醫生需要什么樣的機器人呢？外科醫生對機器人有什么具體要求呢？要回答這個問題，首先要明確一點，我們到底需要一個獨立完成手術的機器人、醫生僅僅作為旁觀者和監控者，還是需要一個輔助完成手術的機器人、醫生還是作為主導者和操作者。

不能否認，隨著技術的發展，未來的某一天，機器人可以通過倫理，獨立完成手術操作，但就目前短期來看，恐怕我們還是需要后者更多一些。如果按照這個思路去想，外科醫生到底需要什么樣子的機器人呢？既然醫生是操作者，機器人是輔助者，那就像手術臺上主刀和助手的區別。我想一個優秀的手術助手的標準，就可以作為機器人的需求標準。

我現在是北京市三甲醫院的副主任醫師，既當過學生做過助手，也作為主刀醫生要求過我的助手。下面我就通過自身體會，結合機器人特點，談一談我對一個好的手術“助手”的認識和需求。手術助手分為一助、二助、三助、甚至四助，機器人剛才說了同樣分為不同的層次，兩者之間有很多相互對應的地方。

（一）清晰的暴露手術術野：開放手術助手需要將皮膚、皮下組織、筋膜肌肉向周圍牽開，顯露需要進行手術的關鍵解剖部位，在外科中俗稱“拉鉤”；腔鏡手術由于存在各種工作通道，助手不需要牽拉肌肉，但需要保持腔鏡鏡頭的穩定，對準需要進行手術的關鍵解剖部位，在外科中俗稱“扶鏡子”；同時清晰的顯露手術術野還包括吸引器吸血等。

這些操作往往由三助、四助，即低年資醫師完成。可是別小看這些操作，保持術野清晰是提高手術速度、保證手術精準的前提要素。許多大外科主任腔鏡手術都有“御用”“扶鏡子”的助手；我在當低年資醫生時第一次得到我師父的賞識，也是由于一次手術過程中準確的“拉鉤”，顯露出關鍵的解剖部位，我師父說我看懂這種手術了，知道上級醫師需要什么。

但就像上面我談到的，人力是會疲勞的，助手的手部力量不足，或術中注意力不集中，會導致“拉鉤”拉不到位，“扶鏡子”扶不穩，從而影響手術進度。而機器臂方面則可以克服這些不足，機械臂不會疲勞，可以提供持續、恒定的牽引力或把持力；機械臂還可以比人手更加靈活，通過增加機械臂的關節，術者可以根據自己需要隨意調整用力方向，更好的滿足手術需要。同時可以引入智能化，如自動追蹤術者手術操作部位，調整機械臂的方向角度；通過術者語音控制，調整機械臂角度；自動識別出血，進行吸血操作等。

（二）精準化操作：不論是主刀，還是助手（特別是一助），都需要精準化的操作，外科醫生最基本的素質就是膽大、心細、手巧，其中手巧就表現在精細化的操作。

就拿我們脊柱外科醫生行腰椎減壓手術為例，有些部位減壓、骨質去除操作（如去除棘突、部分椎板、下關節突等）可以大刀闊斧，但一旦到了神經周圍，如去除椎板內層和黃韌帶、去除上關節突、擴大神經根管，這些操作就要精雕細琢。

這其中機器人可以進行參與很多，一些風險性低、重復性強的操作可以交給機器人完成，如將椎板逐層磨削、打薄；而一些風險性高的操作可由機器人輔助完成，如機械臂可以通過規劃定位，或光電感受器，尋找硬膜、神經根位置和走行，協助術者避開神經根，從相對安全的位置開始進行減壓操作，逐步擴大減壓范圍。

外科醫生手術中還很強調手感，比如我們脊柱外科醫生行椎弓根釘置入過程中，需要靠開路錐感受椎弓根內的松質骨，錐子進入的過程中會有一種“踏雪感”，如果阻力突然增加，那有可能觸碰到了椎弓根的皮質，需要調整方向，如果阻力突然消失，那有可能穿破了椎弓根的皮質，造成置釘失敗或災難性的損傷。

機器人輔助置釘也可以按此思路進行新的手術器械的研發，機器人可以帶有觸覺功能，即通過各種應力或光電傳感器，感受應力或電信號的變化，并將這些數據反饋給機器人，從而由機器人判斷螺釘是否穿破椎弓根皮質。

（三）更好的顯示效果：主刀或者助手（特別是一助）還希望術中有更好的視覺顯示效果，能夠清晰的顯示手術部位的重要解剖結構（血管、神經、腫瘤瘤體、骨骼解剖標志點等）。

而有些重要的血管、神經都很細小，人肉眼的分辨率是有限的，加上外科醫生可能存在各種視力問題（如近視、散光、老花等），這些因素都會影響醫生的判斷，造成血管、神經損傷。

臨床上目前通過各種術中設備將這些重要結構放大顯示，如脊柱外科、耳鼻喉科、血管科醫生應用的鑲嵌式放大鏡，神經外科醫生應用的顯微鏡，普外科、泌尿科、胸外科、婦產科醫生應用的腹腔鏡，骨科關節鏡、脊柱內鏡等，都是通過不同的設備將術野放大，清晰的顯示原本細小的解剖結構，達到提高手術精度的目的。

術野放大的好處是手術細節的清晰度增加，但缺點是觀察范圍的縮小。機器人可以整合這些設備，通過不同的臨床需求調整最適宜的放大率，并通過機械臂的高自由度調整最佳觀察角度，為醫生提供最佳的術野顯示。有時外科醫生還需要有一雙“透視眼”，比如肺惡性腫瘤都藏匿于正常肺組織內，突出的椎間盤位于脊髓、神經根下方，醫生需要通過自身經驗和術前影像學檢查，判斷病變組織位置。

就拿我們脊柱外科為例，就是最常見的腰椎間盤突出癥手術，我們外科醫生首先需要去除部分椎板和關節突，切開黃韌帶，分離開神經根，才能看見突出的椎間盤。這些操作每一步都存在很多“陷阱”。

骨質去除少了影響觀察，去除多了影響穩定性；黃韌帶可能與下方硬膜、神經根粘連；神經根本身位置可能存在各種解剖變異；突出的椎間盤可能對神經根擠壓、使神經根偏離正常位置；突出的椎間盤可能位于神經根“肩上”，也可能位于“腋下”，可能向上游離至上位椎體后緣，也可能向下游離至下位椎體后緣。

為了規避這些“陷阱”，目前大都依賴于醫生對患者術前影像學資料（如CT、核磁等）的觀察，通過人腦對各種組織結構進行重建，并術中根據自身經驗進行分析判斷。機器人對圖像的重建、整合能力肯定優于人腦，可以術前準確重建出病變組織的空間位置，及其與周圍正常組織的毗鄰關系，并可以整合虛擬現實VR、增強現實AR等技術，通過這些技術進行術中圖像輸出，為術者和助手提供病變組織位置，及其與周圍重要組織（血管、神經等）位置關系。

這些特殊的顯示效果可以提高手術的精準度，提升手術速度效率，減少術中副損傷的發生率。將來更加智能的機器人系統可能能自動根據術者當前操作過程提供相關的術野顯示效果，并可以按照術者的要求對術野進行放大、縮小顯示，或三維組織結構信息顯示。

（四）空間位置提醒：作為一名好的外科醫生，除了良好的手術技巧之外，空間位置想象能力也很重要。如剛才所述，外科醫生需要通過大腦對患者術前影像學資料進行重建、整合判斷病變組織位置，分析患者解剖結構有無變異，如何通過解剖標志尋找到病變組織。

比如我們脊柱外科醫生行椎弓根釘置入前，需要術前分析患者CT資料，在腦海中規劃置釘入點、置釘角度，患者關節突增生可能影響入點選擇，椎弓根傾斜度、椎體旋轉度可能影響置釘角度。脊柱外科醫生行脊柱內鏡手術時，內窺鏡放大細節的同時會出現術野的縮小，需要準確判斷內鏡位置，在有限的視野內分辨重要的解剖標志點，如不準確時醫生要判斷需要向頭、尾、內、外哪個方向調整內鏡角度，滿足手術需求。

脊柱外科醫生行開放手術時，同樣需要術者和助手具有較強的空間位置感，通過重要的解剖標志點判斷需要減壓的位置，如頸椎后路椎管成形術，需根據解剖形態判斷椎板和關節突連接部的位置，判斷磨鉆使用的角度，磨鉆位置過高、角度不足可能導致椎板殘留，磨鉆位置過低、角度過大可能導致磨入側塊內。

再如腰椎椎管減壓術，需要準確判斷椎板、下關節突、上關節突的相對位置關系，判斷各個部分去除的范圍，既保證減壓充分，又盡量保留關節突、最大程度維持腰椎術后穩定性；就連最常見的腰椎間盤突出切除術，都需要準確判斷椎間盤與神經根之間的關系，避免遺漏脫出的髓核。

外科醫生的空間感來源于手術經驗的不斷積累、閱讀并重建術前影像學資料能力的不斷提升、以及一些空間位置感的天賦。如果術者或助手位置感不強，手術經驗少，不能準確在大腦中重建出患者的影像學資料，那就會造成手術失誤，或者手術時間延長。

而機器人，特別是骨科機器人，設計上就標配有空間位置判斷能力，能夠根據患者術前或術中的CT掃描，獲得患者重要組織結構的全部空間信息。包括重要解剖標志點、標志點與標志點之間、標志點與手術靶點之間的空間位置關系，并將這些空間位置關系在機器人的電腦中進行合成、分析、定位。

可是就目前而言，機器人雖然存儲有患者重要組織的全部空間信息，但無法100%全部輸出給術者或助手，比如脊柱手術機器人，其輸出的僅僅是椎弓根的信息（椎弓根釘的入點、軌跡、角度等），但其實機器人還存儲有椎板的厚度、傾斜度，關節突的增生、內聚程度，椎間盤的高度，神經根的位置、走行，突出的間盤與神經根間的關系等等，這些信息對于術中減壓過程很重要，對于提高手術療效和安全性也很重要，卻沒有很好的將其進行輸出。

如果能將這些重要組織結構的空間位置信息進行恰當的輸出，通過可行的方法手段進行顯示，可以彌補術者及助手空間想象力不足的缺陷，可起到事半功倍的效果。將來更加智能化的機器人可能能自動跟蹤手術進程，為術者提供當前操作步驟所需的三維空間信息。

（五）風險預警和糾錯能力：手術過程是一個術者與助手，術者與護士，術者與麻醉師交互的過程，在人與人不斷的交流中可以互相提醒，查缺補漏，避免錯誤、失誤的出現。特別是術者與助手的溝通，更顯得尤為重要，好的助手可以幫助術者避免很多醫療事故的發生。

我們脊柱外科開放手術，往往是術者站在患者一側，助手站在患者另一側，由于觀察角度的問題，骨質結構會造成視野造成干擾，術者會產生視覺盲區。比如腰椎減壓手術去除上關節突這一操作，術者站在患者左側去除左側的上關節突，但此時殘留的下關節突可能會對視野產生干擾，就像打一口井，要深入到井下打水，井壁會阻擋視線。此時助手就顯得尤為重要，他站在對側，視線不受干擾，當術者進行椎管減壓，特別是神經根管減壓時，助手可以幫助術者分離神經根與周圍組織的粘連，協助觀察手術器械（椎板咬骨鉗、磨鉆等）是否會對硬膜及神經根造成損傷。

助手因年資、手術經驗、手術專注度等的差異，會造成風險預警和糾錯能力的不同，從而直接或間接影響到手術的安全性。此時如果引用機器人，能夠通過各種機器人相關視覺系統，觀察到手術全局，并在不同角度反饋給術者，術者便可以更好的掌控手術全過程。

還拿腰椎減壓手術舉例子，在術者同側引入觀察機器人，可以判斷術者是否按照既定軌跡進行減壓操作，減壓范圍、深度、手術器械與神經根關系都可以得到精準化、個體化控制；而在術者對側的機器人，可以通過顯示屏顯示助手視野，術者在一些風險性較高的操作時可以利用對側圖像進行參考，避免副損傷的發生。

再比如椎弓根釘置入過程，術者會預先設計好螺釘置入的入點、軌跡、角度、深度等信息，并將這些信息傳遞給機器人，機器人可以監視整個置釘過程，當螺釘置入偏離這些預定值時即出現報警，提醒術者進行進一步判斷，置釘過程是否準確。

這就像我們開車時的后視鏡上的并線輔助、道路偏航提醒、倒車影像等，有經驗的司機可能用不到，但在一些特殊情況下，這些風險預警和糾錯能力系統可以避免很多事故的發生。將來加入人工智能的機器人甚至可以做到人機交互，機器人對手術過程中的錯誤、危險進行預警，并提出相應的解決方案，使機器人更像一個擁有豐富經驗的手術助手。

（六）更便捷的操作方式：機器人需要更加便捷、符合術者習慣的操作系統。智能手機之所以能取代傳統按鍵手機，除了智能手機采用了更強大的芯片處理器，更大量的觸屏操作，更人性化的操作系統，更快的圖像處理能力，更快速的網絡連接外，很大程度上在于智能手機包含有更多專門為其設計的應用程序，這些應用程序方便了我們的生活，也改變了傳統的手機僅僅是通訊工具這一屬性。

我們前一秒鐘還在看微信、刷微博，下一秒鐘餓了需要各種外賣小程序進行點餐操作，或者在下一秒鐘因出門辦事需要打開導航小程序，又或者在下一秒鐘需要聽音樂放松一下而打開音樂播放器小程序。這些都拓展了手機的應用場景，使其不僅僅是打電話