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現(xiàn)今手術(shù)機(jī)器人能否取代醫(yī)生完成手術(shù)?

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提到手術(shù)機(jī)器人,相信大家都在腦海里都會(huì)形成一個(gè)場(chǎng)景,是一個(gè)自動(dòng)的機(jī)器人能夠完全取代醫(yī)生來(lái)做一些手術(shù)的操作,這是我們未來(lái)追求的目標(biāo),現(xiàn)實(shí)情況是我們目前在做的機(jī)器人有各種各樣,還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到那樣的一個(gè)場(chǎng)景,但我們依然在朝著那個(gè)方向去努力。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全世界大概有至少一百種以上的手術(shù)機(jī)器人,用在各個(gè)學(xué)科、各種形態(tài),比如說(shuō)有機(jī)械臂式的、多個(gè)機(jī)械臂式的、蛇形的各種各樣的機(jī)器人。所以實(shí)際上對(duì)于手術(shù)機(jī)器人這個(gè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō),目前是一個(gè)百花齊放的這樣的時(shí)代。 遵循醫(yī)生操作的主從型手術(shù)機(jī)器人 對(duì)于手術(shù)機(jī)器人,總的來(lái)說(shuō)可以分成兩大類。第一大類從 2000 年開始,在美國(guó)就已經(jīng)有很多商業(yè)化的產(chǎn)品。最主流的、目前在全世界應(yīng)用最廣泛的,叫做主從型手術(shù)機(jī)器人。 圖 | 主從型手術(shù)機(jī)器人 什么叫主從型手術(shù)機(jī)器人呢?它其實(shí)是遵循醫(yī)生的遙操作來(lái)進(jìn)行手術(shù)的一類機(jī)器人。醫(yī)生手腳并用在控制臺(tái)完成操作,機(jī)器人會(huì)擺在手術(shù)床旁,由機(jī)器人的三四個(gè)甚至最多有五個(gè)機(jī)械臂,來(lái)完成對(duì)醫(yī)生的整個(gè)手術(shù)的跟蹤。那么當(dāng)醫(yī)生進(jìn)行所有的操作的時(shí)候,機(jī)器人在病人的體內(nèi)完成相應(yīng)的操作,所以我們把它稱之為主從型的手術(shù)機(jī)器人。 這一類的機(jī)器人目前在腹腔手術(shù)、胸腔手術(shù)中得到了大量應(yīng)用。但是我們今天所討論的神經(jīng)外科這個(gè)領(lǐng)域,這類機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景是比較小的,其中的原因就在于這種跟蹤醫(yī)生手術(shù)操作的機(jī)器人必須在一個(gè)有很好的手術(shù)空間的范圍內(nèi),所以比如說(shuō)在腹腔的腔道中,或者是在胸腔的腔體中,機(jī)器人可以有自由的空間去活動(dòng)。 但是在神經(jīng)外科這個(gè)領(lǐng)域,也就是我們說(shuō)的腦手術(shù)這個(gè)領(lǐng)域,因?yàn)槟X組織是一個(gè)實(shí)體,所以這種類型的機(jī)器人實(shí)際上是沒(méi)有辦法進(jìn)行一個(gè)很好的操作的,那么就引出來(lái)了我們今天要討論的第二大類的手術(shù)機(jī)器人,是叫做定位型的手術(shù)機(jī)器人。 圖 | 導(dǎo)航型定位手術(shù)機(jī)器人 手術(shù)機(jī)器人幫助醫(yī)生定位,解決神經(jīng)外科手術(shù)大難題! 定位型手術(shù)機(jī)器人是怎么樣解決神經(jīng)外科中的問(wèn)題的呢?我們先看一下神經(jīng)外科的手術(shù)的需求。 在神經(jīng)外科中,有一大類叫微創(chuàng)的立體定向手術(shù),是希望能夠把臨床以前開顱進(jìn)行的一些手術(shù)微創(chuàng)化。那么當(dāng)微創(chuàng)的時(shí)候,對(duì)醫(yī)生最大的挑戰(zhàn)是什么呢?實(shí)際上也非常的明確,對(duì)于臨床來(lái)講,醫(yī)生在看不到的情況下必須進(jìn)行打孔、插入引導(dǎo)裝置,最后插入它相應(yīng)的電極、活檢針或者是引流裝置等等這類的問(wèn)題。 在這樣的一類需求下,對(duì)于醫(yī)生來(lái)講,我從哪個(gè)方向、從哪個(gè)位置來(lái)插進(jìn)去是最需要的。那這樣的一個(gè)手術(shù)術(shù)式對(duì)于臨床來(lái)講,就需要有一個(gè)自動(dòng)的工具,或者是手動(dòng)的工具來(lái)幫助醫(yī)生完成定位,這就是神經(jīng)外科叫立體定向手術(shù)的一大類的需求。 這個(gè)需求非常的廣泛,它可以用在癲癇、帕金森、腦腫瘤、腦出血等等領(lǐng)域。比如癲癇手術(shù),它甚至不只要插一根,還有可能要插多根電極到人的腦組織里面去。那怎樣有一個(gè)更好用的工具來(lái)幫助醫(yī)生,就是一個(gè)很重要的問(wèn)題。 以癲癇為例,在中國(guó)癲癇大概有一千萬(wàn)的患者,其中 30% 也就是約 300 萬(wàn)的患者是藥物難以控制的,這些患者里面很多是兒童,那么這些患者里面又有接近一半的患者是適合手術(shù)治療的??墒菍?shí)際的手術(shù)治療每年只有一萬(wàn)例,那么這 1 萬(wàn)對(duì) 150 萬(wàn)的這樣大的比例差是怎么造成的呢? 其中很重要的一個(gè)原因就在于我們并沒(méi)有一個(gè)很合適的、很方便的手段來(lái)幫助臨床進(jìn)行這種微創(chuàng)的手術(shù),那么現(xiàn)在是采用什么樣的方式呢?因?yàn)閯偛乓仓v了,對(duì)于這一類的手術(shù)里面最重要的是有一個(gè)幫助醫(yī)生進(jìn)行定位的工具。 給骨頭釘顱釘?傳統(tǒng)定位方式給病人帶來(lái)巨大痛苦! 我們現(xiàn)在做的這件事情,實(shí)際上通過(guò)傳統(tǒng)的方式也是可以實(shí)現(xiàn)的,但是實(shí)現(xiàn)的難度會(huì)遠(yuǎn)比機(jī)器人要高,現(xiàn)在是怎么實(shí)現(xiàn)的呢? 首先,病人在手術(shù)的當(dāng)天早上,必須要在他的頭上卡一個(gè)立體定向頭架,這個(gè)頭架是一個(gè)純被動(dòng)的機(jī)械裝置,是需要在病人清醒的狀態(tài)下直接釘?shù)斤B骨上,保證跟病人的頭完全不動(dòng)。在人的清醒的狀態(tài)下,在前額和后腦勺釘四顆顱釘,直接釘?shù)焦穷^上是一種怎樣的痛苦? 雖然我們可以在局部打一些麻藥,但是當(dāng)你擰顱骨釘?shù)臅r(shí)候?qū)φ麄€(gè)頭皮的牽連也會(huì)造成巨大的痛苦。在實(shí)際手術(shù)時(shí),病人躺到手術(shù)床前帶著這樣的一個(gè)框架,在上面上一個(gè)坐標(biāo)弓,然后通過(guò)這樣的一個(gè)坐標(biāo)弓純機(jī)械的方式,幫助醫(yī)生完成定位,這就是整個(gè)的手術(shù)的方式。 從我剛才對(duì)手術(shù)方式的描述來(lái)看,這樣的一個(gè)定位的框架對(duì)患者來(lái)說(shuō)有很大的問(wèn)題,第一個(gè)問(wèn)題是患者需要在清醒的狀態(tài)下帶這個(gè)架子,對(duì)于病人特別是兒童患者非常地痛苦。 我以前跟過(guò)很多這樣的臨床手術(shù),在手術(shù)的時(shí)候給兒童釘頭架對(duì)于兒童來(lái)說(shuō)非常痛苦,特別是在我有了小孩之后,這種場(chǎng)景我完全是無(wú)法去看的。所以從這樣的角度來(lái)講,這種清醒時(shí)佩戴頭架,對(duì)于兒童會(huì)有巨大的創(chuàng)傷。 同時(shí)它有很多其他的問(wèn)題,比如說(shuō)消耗的時(shí)間長(zhǎng),需要幾個(gè)醫(yī)生反復(fù)地去對(duì)刻度尺,同時(shí)存在一些植入的死角,對(duì)于一些臨床的術(shù)式是不適合的。那我們用什么樣的方式可以去解決傳統(tǒng)手術(shù)上的一些局限性呢? 我們希望下一代的產(chǎn)品應(yīng)該痛苦小,沒(méi)有死角,應(yīng)該是個(gè)自動(dòng)化的裝置。由此我們研發(fā)了,我們新一代的神經(jīng)外科的定位裝置,也就是我們剛才提到的手術(shù)機(jī)器人。 手術(shù)機(jī)器人的”眼”、”手”、”腦”是如何協(xié)作的? 機(jī)器人由三個(gè)部分組成。第一部分,當(dāng)然它要有一個(gè)手,也就是機(jī)械臂。第二部分,它要有一個(gè)眼睛,眼睛幫助機(jī)器人來(lái)定位病人的位置。第三部分,也是最核心的,它要有一個(gè)大腦,大腦幫助機(jī)器人自動(dòng)地判斷,它應(yīng)該去什么樣的位置,不應(yīng)該撞到什么樣的東西。這是組成整個(gè)機(jī)器人的三個(gè)部分。 那么從這三個(gè)組成部分,就可以總結(jié)出我們機(jī)器人在實(shí)際手術(shù)中的流程。第一步,要通過(guò)計(jì)算機(jī)的大腦來(lái)實(shí)現(xiàn)手術(shù)路徑的規(guī)劃,也就是醫(yī)生要基于術(shù)前的磁共振的影像、CT 的影像把它配準(zhǔn)融合到一起,在術(shù)前就可以知道病人的腦子里面是什么樣的一個(gè)情況,要基于什么樣的一個(gè)通道,完成對(duì)病人的相應(yīng)路徑的穿刺定位。 第二步,當(dāng)醫(yī)生在術(shù)前的計(jì)劃中把這個(gè)位置設(shè)計(jì)好之后,把機(jī)器人推到了病人的手術(shù)床前,機(jī)器人通過(guò)自己的眼睛,也就是我們現(xiàn)在采用的無(wú)接觸式的激光定位,來(lái)完成對(duì)病人頭部的定位。 當(dāng)知道了病人的頭實(shí)際在什么位置,第三步對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)就很簡(jiǎn)單了,它可以自動(dòng)地執(zhí)行醫(yī)生術(shù)前在磁共振或者是 CT 的影像上面規(guī)劃的路徑完成定位,醫(yī)生在這個(gè)定位的位置上進(jìn)行后期的手術(shù)操作。這就是整個(gè)機(jī)器人實(shí)際的操作流程。 那么我們逐步地來(lái)分析,機(jī)器人具體是怎么樣操作的。從第一個(gè)手術(shù)計(jì)劃的層面上,醫(yī)生最關(guān)注的問(wèn)題是規(guī)劃一個(gè)怎樣的路徑,或者是多根路徑,能夠準(zhǔn)確地達(dá)到我想要的位置。與此同時(shí),最重要的是要避開顱內(nèi)的重要血管,避免顱內(nèi)出血。 機(jī)器人在這里做什么工作呢?它能夠通過(guò)術(shù)前的磁共振或者 CT 的二維斷層的片子實(shí)時(shí)地做出三維的重建,讓醫(yī)生直觀地看到在病人的腦組織里面腦溝回長(zhǎng)的是什么樣子的,血管是長(zhǎng)的什么樣子的,可以直觀地在三維的影像上面對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃,這樣就可以看應(yīng)該怎樣避開顱內(nèi)的血管。 所以這張圖就可以看出,我們能夠通過(guò)磁共振的影像,重建出三維模型的病人腦組織和血管,跟真實(shí)的實(shí)際病人開顱的照片做了一個(gè)對(duì)比,它的真實(shí)性非常的好,這一點(diǎn)對(duì)臨床來(lái)說(shuō)非常重要,因?yàn)榕R床要基于醫(yī)生術(shù)前重建的影像進(jìn)行路徑規(guī)劃,這個(gè)影像重建的真實(shí)與否,對(duì)于最終如何規(guī)避血管、避免顱內(nèi)出血有重要的意義。 從這個(gè)角度來(lái)講,我們的計(jì)劃軟件可以做到:第一,不受國(guó)外昂貴的軟件采購(gòu)的限制;第二,我們能夠真正地把原來(lái)手術(shù)的出血的概率降低一半以上;第三,我們可以通過(guò)這樣的一個(gè)規(guī)劃軟件,大幅度縮短醫(yī)生傳統(tǒng)規(guī)劃的手術(shù)時(shí)間。我們的軟件已經(jīng)在全國(guó)大量的醫(yī)院被使用,目前在全國(guó)已經(jīng)有超過(guò) 5000 臺(tái)的手術(shù)進(jìn)行日常的使用。 當(dāng)醫(yī)生完成了術(shù)前的規(guī)劃之后,第二步就是當(dāng)機(jī)器人推到手術(shù)的床前時(shí),手術(shù)機(jī)器人需要知道病人的頭到底在什么位置,它才能準(zhǔn)確地到達(dá)位置。那么它是怎么樣知道的呢? 大家如果玩過(guò) Kinect 游戲的話,實(shí)際上可以理解為是在機(jī)器人的前端裝了一個(gè)超高精度的 Kinect,我們通過(guò)這樣一個(gè)有深度信息的攝像頭,或者是定位裝置能夠直接捕捉病人頭的位置,拿到病人頭的實(shí)際的位置和術(shù)前的影像上的位置這樣的一個(gè)關(guān)系。 第三步機(jī)器人會(huì)自動(dòng)地執(zhí)行到預(yù)定的手術(shù)位置,醫(yī)生就在機(jī)器人引導(dǎo)的這個(gè)位置上進(jìn)行穿刺、打孔和植入的操作。圖中也可以看出通過(guò)我們的機(jī)器人能夠達(dá)到一個(gè)非常精準(zhǔn)的定位精度,這對(duì)于臨床是非常有效的。 那么從術(shù)后的這兩幅影像上也可以看出來(lái),彩色的部分是術(shù)前規(guī)劃的路徑,白色的是術(shù)后通過(guò)CT 重建出來(lái)的實(shí)際的植入位置,可以看出術(shù)后的植入位置跟術(shù)前的彩色的路徑是高度的一致的,這個(gè)對(duì)于臨床來(lái)說(shuō)就解決了高精度的問(wèn)題。 同時(shí)由于機(jī)器人有很好的定位方法,就完全不需要在病人術(shù)前再釘定向頭架了,所以病人在術(shù)前是完全沒(méi)有痛苦的。而且機(jī)器人由于它六個(gè)自由度的特點(diǎn),它可以完全無(wú)死角地到達(dá)病人頭附近的任何位置,同時(shí)能夠保持很高的效率。 所以當(dāng)機(jī)器人能夠得到大量的臨床應(yīng)用的時(shí)候,它就可以使整個(gè)的手術(shù)時(shí)間下降 60% 以上。那么未來(lái)在全國(guó)能夠開展癲癇外科的醫(yī)院數(shù)量就會(huì)大大的提高,因?yàn)槭中g(shù)整個(gè)的復(fù)雜度得到了大大的降低,同時(shí)能夠匯集的患者數(shù)量也會(huì)成倍的增加,這是我們機(jī)器人目前在臨床上一個(gè)非常重要的意義。 神經(jīng)外科已經(jīng)走向了機(jī)器人微創(chuàng)的時(shí)代,它對(duì)于臨床的意義非常的重要,神經(jīng)外科的發(fā)展方興未艾,未來(lái)在癲癇、帕金森、甚至老年癡呆等等領(lǐng)域還有廣闊的空間需要去努力,其中定位的工具和微創(chuàng)的治療方式也需要不斷地革新和創(chuàng)新,這是我們一直以來(lái)努力的目標(biāo)。 從我們大量接觸臨床病人、接觸神經(jīng)外科的十幾年時(shí)間來(lái)看,我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)定地希望,在這個(gè)領(lǐng)域能夠降低醫(yī)生的操作門檻、減少病人的手術(shù)痛苦,希望能夠開發(fā)出未來(lái)智能、高效、精準(zhǔn)的手術(shù)機(jī)器人,這將會(huì)極大地降低患者的痛苦、提高手術(shù)的成功率、降低手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。

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