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全军肝胆外科研究所刘荣:智能外科时代,手术机器人将由 AI 进行驱动 | CCF-GAIR 2019

作者:李雨晨
2019/07/17 15:36

全军肝胆外科研究所刘荣:智能外科时代,手术机器人将由 AI 进行驱动 | CCF-GAIR 2019

编者按:7月12日-7月14日,2019第四届全球人工智能与机器人峰会(CCF-GAIR 2019)于深圳正式召开。峰会由中国计算机学会(CCF)主办,雷锋网(公众号:雷锋网)、香港中文大学(深圳)承办,深圳市人工智能与机器人研究院协办,得到了深圳市政府的大力指导,是国内人工智能和机器人学术界、工业界及投资界三大领域的顶级交流博览盛会,旨在打造国内人工智能领域极具实力的跨界交流合作平台。

7月13日,解放军总医院肝胆外二科主任、全军肝胆外科研究所所长刘荣教授作了主题为《机器人在外科手术中的应用与展望》的演讲。

刘荣在肝胆外科上有多年的从业经验和深厚的技术积累,是目前全球完成机器人肝胆胰手术最多的外科医生。

他认为,外科的发展史简单分为四个时代:机械时代、电气时代、信息时代和智能时代。而我们现在所处的智能外科时代,是通过人工智能赋能外科实践,利用人工智能的和方法辅助和替代人类进行外科诊疗行为,其有两个本质性特征:一是诊疗行为标准化,二是诊疗设计个体化。

雷锋网了解到,从2011-2019年,解放军总医院肝胆外二科完成的达芬奇机器人肝胆手术数量超过3000例。从全国范围来看,2011-2018年,该医院完成了全国32%的肝胆胰机器人手术。

面对分布不均的医疗资源,刘荣教授希望通过从外科维度和手术机器人实现医疗标准化,减少对人力资源的依赖。“这是基本目标,也是我们的理想。”

在演讲中,刘荣教授也对达芬奇手术机器人提出了自己的看法:“从现阶段来看,我们用了达芬奇手术机器人,严格意义上它不是智能化的设备,它只是微创手术良好的执行终端。与此同时,它可以提供非常高质量的手术视频数据,这是非常宝贵的财富。”

从学科角度而言,刘荣教授给出了一个公式:手术机器人+智能导航+自动化控制=智能外科,而未来智能外科将由人工智能驱动手术系统,进行手术操作,医生起到的是监督作用。

以下为刘荣教授的现场演讲内容,雷锋网作了不改变原意的编辑及整理:   

刘荣:大家好!我是来自解放军总医院的刘荣。我跟大家汇报机器人在外科手术中应用的现状和我们的展望。

最近中央电视台热播纪录片《手术200年》,把200年中外科手术发展历史中很多激动人心的时刻做了回顾。回顾这些历史是为了让我们更好的审视现在和展望未来。

大约在两年前,我们也对历史做了一次回顾,我们把外科的发展史简单分为四个时代:机械时代、电气时代、信息时代和智能时代。在演讲开始之前,我想简单介绍四个时代中主要技术成就。

机械时代从19世纪30年代开始。这时候有一个经典且残酷的例子。当时有一个外科医生做截肢手术,没有麻醉和消毒方法。手术进行过程中要求速度非常快,医生非常鲁莽,过程中不仅切掉病人的腿,同时切掉助手的两根手指。台下观众看到这个情况吓到心脏病发,他的助手术后死于感染,台上的病人直接由于大出血死亡,这是死亡率300%手术。麻醉的出现让手术平稳进行,消毒出现让手术感染率下降。即便在这样艰苦的条件下,外科医生还是凭借着超人的勇气,完成了首例胆囊切除手术和首例内镜切除手术,X射线也是在这个时代出现的,它使得我们第一次有可能窥探人体内部的奥秘。

第二个时代是开始于上世纪20年代的电气时代,其代表性的技术成就是电刀的出现,电刀通过热烧灼取代传统的锋利刀刃机械切割,减少了出血,加快了手术的速度。另一个重要的事情是青霉素(盘尼西林)的发现,使得人类第一次拥有有效的武器控制外科感染,使得感染不再是高致死性的疾病。器官移植也是这个时代出现的。另外一件重要的事情是CT的出现,CT相对于X射线可以提供更清晰的图像,我们对人体结构优有了更深入的了解。

上世纪80年代开始的信息时代,其代表技术是电视腹腔镜。腹腔镜主要用杆状或者管状的器械取代在肚子上开一个大口子,腹部的创伤性很小。其广泛使用使得更多的病人可以在手术后短期内快速恢复。联合器官移植、人工心脏、达芬奇手术系统也是在这个时代出现。

能量外科也是信息时代重要成就,通过预先编程的能量释放方式,用更少的能量切割、止血、离断等,减少手术的创伤。首例远程手术,也是在这个时代出现的。

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我们认为从二十一世纪这个十年开始,人类进入智能外科时代,所谓智能外科是通过人工智能赋能外科实践,利用人工智能的和方法辅助和替代人类进行外科诊疗行为,其有两个本质性特征:一是诊疗行为标准化,二是诊疗设计个体化。

我们是解放军总医院肝胆胰肿瘤外科,在发展的进程中对当代外科的三大技术都有广泛的使用和充分的认识。

简单介绍,第一张图是开腹手术,手术台上站了4个人。第二张图腹腔镜手术站了3个人,机器人技术台上站了1个人。手术台上的医生越来越少,功能越来越复杂强大,就像是自行车、汽车和飞机的递进。

在我们看来,即便到今天的时代,我们可以用机器人做绝大部分手术的时候,有一部分的病人还是会选择用腹腔镜或者选择用开放的手段做。因为不同的手术有适应症,我们应该为病人选择最合适的,而不是用最先进的方法。这是相互协同,互为补充的关系,目前阶段不能绝对说这是取代的关系。

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从2011-2019年我们完成了达芬奇机器人肝胆手术数量超过3000例。说明我们胰腺种类的手术很全,最复杂的手术我们都可以做,这是我们的胰腺手术数量。从全国来说,2011-2018年我们完成了全国32%的肝胆胰机器人手术,由我们中心完成。2018年我们完成全国手术总量的40.2%,我们是70张病床的病区,数量是很少,但我们完成的机器人手术数量非常多。

我们在此基础上做了理论的创新,撰写了技术书籍,制订了国家卫计委的手术操作指南、国际手术操作共识。目前有三项世界第一:手术总量、疑难手术量和创新手术量。

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说完自己,我们谈谈宏观情况。

目前我国整体情况,2018年我国卫生健康事业发展统计公报显示,全国医疗机构和医院医院总量有98万个,不到3%的医院占据76%的床位,优质医疗资源分配极度不均衡,分级诊疗难以得到落实。这是第一个情况。

第二个情况,从2012-2015年我国超过65岁以上的人口从9.4%上升到10.5%,与此同时,每千人的医生量从1.6%仅仅上升到1.8%,人口老龄化增加了医疗需求,但是医学从业人员或者外科从业人员非常不足,这来自于国家统计局的数据。

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我们希望通过从外科的维度和手术机器人实现医疗标准化,减少对人力资源的依赖。这是基本目标,也是我们的理想。

我们把优秀外科专家能力定为100,把基层普通外科医生能力定为1,在100和1之间我们希望向上半段偏态分布,通过智能化和机器人的手段让平均的医疗实践水平超过70分,这是我们的奋斗目标。在这一过程中,机器人是非常重要的载体。

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机器人在外科领域的应用的历史过程,从早期的导向定位机器人到后期的持物臂机器人,到后期的主从式机器人等阶段。

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这是持物臂机器人,持物臂机器人的核心特征是稳定,哪怕是优秀外科医生的手一样会振颤和抖动,机器人不会,他可以非常稳定、精确的操作完成。

我们希望机器人具有手术导航功能,什么是手术导航?通过识别人体器官和手术机械,根据手术前的规划为外科医生进行术中指导,它可以规划手术路径,进行术中提示。

手术导航是未来自动化手术的一个技术基础,也是真正意义上机器人手术的必备功能,这是我们的理解,它可以降低手术难度,提高手术质量,同时可以辅助新外科医生的培训。

手术导航基本原理是构建手术器械、三维影像和手术部位之间的空间关系。非常类似我们驾车导航时构建了车辆、道路和地图之间的空间关系。人体组织器官简单分为两类:硬质器官和软质器官。骨骼属于硬质器官,空间比较固定。导航机器人的核心要求是配准,目前导航主要应用在骨科、神经外科,机器人也是用在骨科。

目前手术导航有两种方式:光学导航和电磁导航。

光学导航是通过光线的反射和指示实现导航,好处是结构比较简单,但是它的缺点明显,光线容易被遮挡,只能应用于体表器官,对于像神经外科、开颅手术、脊柱外科、关节外科等,像我们做腹腔手术或者胸腔手术,光线难以进来。

电磁导航通过器械上的磁感应线圈指示在磁场中位置,这个磁场很容易受到电磁环境的干扰,目前主要用于介入手术,如鼻窦手术或者颅内手术,比较小的管状器械手术用电磁导航是比较合适的。

目前开展手术导航机器人的研发厂家主要包括是史赛克、Medtronic(美敦力)和Rosa。国产比较优秀的是天玑手术机器人,它是很不错的,亚毫米级的导航精度。

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从外科角度看机器人的问题。外科医生应当具有很高的勇气,应当跟疾病和困难做短兵相接,短兵相接的途径是人手,也就是外科医生的手指。

腹腔镜技术的发明给我们提供腹腔镜器械让外科医生的手得到延伸。不管是开放性手术还是腹腔镜手术,本质来说是临台手术,外科医生离不开手术台。机器人手术系统的出现特别是主从式机器人手术系统的出现把远程操作变成可能性,完成了离台手术。

离台手术有很多的优势,它可以减少感染、减少抖动、减少外科医生的疲劳。最重要的一点,离台手术第一次在外科医生手指活动和手术机械活动之间提供了人工智能等技术实施干预的平台。比较出名的主从机器人包括早期的Zeus系统和达芬奇手术系统,达芬奇手术系统是目前临床使用最广的系统。

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比较优势,我们把达芬奇手术机器人和传统腹腔镜手术进行比较,其优势明显。它的图像放得更大,没有支点效应,消除生理性振颤。自由度非常高,可以做精细的缝合、打结等精细动作。手术者远离手术台,减少感染的风险。

它的缺点是没有触觉反馈,机器人手术系统在布置时很麻烦。我们早期做机器人手术,安装一个机器人,把病人躺好固定好,我们把所有的孔戳好,大约需要40-50分钟,系统复杂、孔多,布置起来很麻烦。

通过技术改进,现在的速度可以缩短20分钟内,甚至十几分钟可以布置完。

我们主要将机器人手术用于像肝胆胰肿瘤等复杂手术,简单的手术不需要机器人来做。现在新一代机器人系统穿刺孔呈线性排列,但依然彻底没有解决安装和布置比较复杂的核心问题。

总的来看,机器人手术系统可以减少手术所需的医生数量,它可以减轻医生疲劳。从右图可以看到主刀医生坐在这里做手术。我们发现医生腰椎、颈椎可能是好了一点,但是手指头不行了。

我个人不满意人体工学设计,太疲劳了。如果将来有更符合生理习惯的情况做手术,可以进一步提高外科手术的效率。

主从式系统除了宙斯和达芬奇手术机器人外,还有其他系统,韩国开发了RIVI-I,和达芬奇手术系统很相似。意大利Senhance,这个系统有两个核心特点:一是具有一定程度的初学反馈;二是可以通过手术者的眼球、运动调整监控视野,手术者的坐姿相对来说比较舒服。

国产包括妙手机器人以及康多机器人。

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在机器人基础上进一步发展,出现自动化手术机器人。这是自动缝合机器人,通过全景3D摄像头、红外荧光成像、自动缝合伤口,在外科医生监督下实现自动缝合,可以识别外科医生的动作,对外科医生形成缝合操作上的配合,这是非常了不起的。

更加了不起的是强生和谷歌研发的Verb,他们一直强调不是机器人,但我把它归为这一类,将来它叫数字化手术平台,主要引入了机器学习、大数据,主动分析手术数据。预期目标是实现主动辅助手术。

从现阶段来看,我们用了达芬奇手术机器人,严格意义上它不是智能化的设备,它只是微创手术良好的执行终端。

与此同时,它可以提供非常高质量的手术视频数据,这是非常宝贵的财富。数据是人工智能的基石。

这是肝脏手术,左边是肝脏。通过手术中的视频解析可以让计算机理解当前手术视频中发生的操作。我们希望它可以在手术中作出合理选择,下一步要去哪里,规划下一步手术操作,对各个操作细节,比如你靠近大血管或者你靠近不应该去的地方,这时候有红灯预警、声音预警或者图像预警。

如果将来融入实时融合分析,这个手术做到这个地方做不下去,不会做怎么办?可以调用大数据专家系统的录像看别人怎么处理,这对极端场景会产生非常良好的帮助。

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在我们研究中最核心的问题是软质器官术中配准,我们主要做肝胆胰手术,我们做的是软的东西,在切除过程中来回搬动,它发生形变。切了半肝,这跟术前的三维数据不是一个东西。

这时候多模态数据在狭窄的视野中如何配准是一个重要的问题,我们希望通过学科交叉协同解决这些问题。

远程机器人手术。主从式机器人系统优势可以做离台手术。宙斯系统出来后在2001年做了林德伯格手术,从纽约到法国斯特拉斯堡之间,二者距离6000多公里,通过跨大西洋海底通信光缆完成胆囊切除术,手术45分钟顺利结束。

结论就是,只要有可靠的信号机器人可以完成手术。听上去非常好,实际价值不大,这用的是专线光缆,实际过程中不可能每个病人都这么做。

我们去年和康多机器人、华为、福建联通一起做了世界上首例基于5G通信技术的远程动物手术实验,还有相关的报道。我们的距离很近,大概50公里,一个是在福建的孟超肝胆医院,另一个在福建联通实验室,50公里和500公里的区别不大,我们走的是无线网络。

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无线情况下的远程手术和过去光缆条件下的远程手术最大的区别是布置的灵活性,将来一个医生坐在办公室可以同时监督、实施多台手术。这是了不起的场景,多个外科医生协同完成同一台手术,多个外科医生在不同的地理位置上,用这样的中心可以覆盖各种各样的场景,实际上我们在这方面的有一些课题,我们一直在做这方面的研究,希望通过无线远程手术解决特殊情况下的手术外科需求。

简单小节一下,外科机器人手术发展过程中,机械功能不断增强,类人属性不断增加,同时自动化和智能化水平不断提高。在我们看来机器人手术充分的与人工智能进行结合,主要发展趋势包括以下几方面:

一是轻量化发展趋势;二是专门化发展趋势;三是无线化发展趋势;四是导航、标定和配准;五是智能化,将达芬奇与机器学习充分融合,实现真正意义上的手术机器人。

我们在学科上提出一个理念,手术机器人+智能导航+自动化控制=智能外科。智能外科是人工智能所驱动的手术系统。

以上是我的汇报,谢谢大家!

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