機(jī)器人走進(jìn)手術(shù)室

精度超過最好醫(yī)生

對于有些人來說，由一臺“沒有靈魂的機(jī)器”來完成手術(shù)，是一件十分可怕的事情。目前，在外科領(lǐng)域，很多醫(yī)院選用機(jī)器人作為輔助醫(yī)療設(shè)備的形式參與手術(shù)，而對整臺手術(shù)的掌控則完全由醫(yī)生負(fù)責(zé)。

手術(shù)過程中，機(jī)器人一方面可以減輕醫(yī)生的負(fù)擔(dān)，另一方面可以更好地完成手術(shù)。比如，機(jī)器人可以借助三維成像技術(shù)，使用一條小型機(jī)械臂，即可精準(zhǔn)而且完全無抖動(dòng)地用一枚探針，在一個(gè)可能只有幾毫米大小的腦瘤上完成取樣。機(jī)器人所能達(dá)到的精度，已經(jīng)超過最好的外科醫(yī)生。醫(yī)生需要做的，只是設(shè)定機(jī)器人的工作流程，并且在整個(gè)手術(shù)過程中，醫(yī)生可以隨時(shí)叫停。

經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，機(jī)器人系統(tǒng)贏得了越來越多的認(rèn)可。特別是在心臟外科手術(shù)中，機(jī)器人可以發(fā)揮出更大的潛能，因?yàn)榻柚鷪D像處理技術(shù)，手術(shù)器械和內(nèi)窺鏡可以在心臟跳動(dòng)的情況下，全自動(dòng)地探入追蹤，查看內(nèi)部情況。借助于這套輔助設(shè)備，醫(yī)生就可以像對著一顆沒有跳動(dòng)的心臟一樣進(jìn)行手術(shù)了。在跳動(dòng)著的心臟上直接進(jìn)行手術(shù)，在各大醫(yī)院里將會越來越常見。

腦外科和骨科專家們都堅(jiān)信，在未來幾年時(shí)間里，他們已經(jīng)不再需要親自用電鉆和鋸子來處理骨骼，特別是顱骨了。他們可以借助一種單臂機(jī)械手，用激光進(jìn)行十分精準(zhǔn)的超薄切割。由于傷口往往只有不到1毫米寬，手術(shù)之后的組織恢復(fù)會變得更加容易。

大顯身手的“達(dá)芬奇”

現(xiàn)在，微創(chuàng)手術(shù)已經(jīng)非常成熟，這也逐漸成為外科機(jī)器人需要從事的主要項(xiàng)目之一。不久以前，外科醫(yī)生一直還在使用兩根細(xì)長的器械，一邊看著屏幕上的實(shí)時(shí)影像，一邊將這兩根器械通過一個(gè)細(xì)小的刺入口（套管針）引入病人體內(nèi)。在這個(gè)過程中，醫(yī)生要讓器械的一端朝著他所期望的方向緩慢探入。由于器械和套管針產(chǎn)生的摩擦力，外加過長的操縱手柄，醫(yī)生很難真實(shí)感受到來自內(nèi)部組織的機(jī)械阻力。

在這個(gè)問題上，美國航空航天局的科學(xué)家開發(fā)了名為“達(dá)芬奇”的機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人系統(tǒng)在2000年獲得美國食品及藥品管理局的許可，如今全球已有2 000多臺投入到臨床應(yīng)用中。使用“達(dá)芬奇”機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，外科醫(yī)生會看到一幅經(jīng)過放大的高分辨率立體圖，實(shí)時(shí)顯示病人身體內(nèi)部的情況，他的雙手則控制著兩根可以彎曲的器械，這兩根器械分別連接著獨(dú)立的機(jī)械臂。外科醫(yī)生雙手的抖動(dòng)會被過濾掉，雙手的動(dòng)作會轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂的動(dòng)作，由此可以大大提高手術(shù)的精度。還有第三條機(jī)械臂專門用來控制拍攝立體圖像的內(nèi)窺鏡，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)圖像跟蹤。

泌尿科和婦科醫(yī)生都發(fā)現(xiàn)，“達(dá)芬奇”做手術(shù)精度很高，可以大大降低在小骨盆區(qū)域做手術(shù)的并發(fā)癥幾率，因?yàn)樾」桥鑵^(qū)域不僅空間狹小，還有尿道和大量敏感的神經(jīng)束通過。目前，在美國急性前列腺手術(shù)中，大約85%是用該機(jī)器人系統(tǒng)完成的。而在全球范圍內(nèi)，“達(dá)芬奇”機(jī)器人系統(tǒng)每周完成約1萬例手術(shù)。

誰來超越“達(dá)芬奇”？

有了這樣一個(gè)成功的開始，人們就會有更多的想象：機(jī)器人系統(tǒng)是否可以承擔(dān)更重要的醫(yī)療任務(wù)，如組織縫合，以及在髖關(guān)節(jié)手術(shù)中，為病人銑出球型的凹洞，可以用來裝下人工股骨。不過在幾年前，德國醫(yī)生使用“達(dá)芬奇”系統(tǒng)進(jìn)行的一次手術(shù)，曾引發(fā)很多爭議。由于系統(tǒng)的體積過于龐大，相較于傳統(tǒng)的手術(shù)方法而言，這個(gè)機(jī)器人會使手術(shù)區(qū)域周圍的肌肉組織也受到一定的損害。此外，系統(tǒng)只配備了很少的傳感器及導(dǎo)航裝置，所以它在銑髖臼時(shí)，有時(shí)會將側(cè)面的骨壁也銑穿。有報(bào)道稱，比起傳統(tǒng)的手術(shù)方式，機(jī)器人做手術(shù)引發(fā)并發(fā)癥的幾率降低了近一半，但在遭到大量的公眾批評和質(zhì)疑后，很多醫(yī)院最終選擇放棄使用這種機(jī)器人。

盡管有各種各樣的抨擊，但作為手術(shù)助手的機(jī)器人依然得到越來越廣泛的使用。德國航空航天中心開發(fā)的系統(tǒng)被認(rèn)為是唯一能替代“達(dá)芬奇”的機(jī)器人系統(tǒng)。相對后者而言，航空航天中心開發(fā)的系統(tǒng)更小，不僅可以固定在天花板上，還可以固定在手術(shù)臺上。該機(jī)械手臂具有相對較輕的結(jié)構(gòu)，自身重量為14千克，可以在100瓦電力的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)。不僅可以防止自有的幾條機(jī)械臂之間發(fā)生碰撞，也可以防止機(jī)械臂和醫(yī)務(wù)人員發(fā)生碰撞。系統(tǒng)還在可以雙向彎曲的器械上整合了力量感應(yīng)器，可以把感應(yīng)到的阻力，通過手柄上的力反饋設(shè)備傳遞給外科醫(yī)生。

德國航空航天中心開發(fā)的機(jī)械手擁有4個(gè)手指，已經(jīng)可以做出種類繁多的姿勢了。在傳統(tǒng)的機(jī)械手模塊里，一般會有超過13個(gè)驅(qū)動(dòng)器，這使得整個(gè)機(jī)械手顯得相對龐大和笨重。相比而言，細(xì)長的雙手做起來更加容易。因?yàn)槿说碾p手就是一個(gè)活生生的例子，人是通過肌腱來驅(qū)動(dòng)肌肉，從而使手開始運(yùn)動(dòng)。與之對應(yīng)，我們可以將驅(qū)動(dòng)裝置安裝在機(jī)械手的前臂里，通過鋼絲滑輪，把來自驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力傳遞給機(jī)械手指?；谶@個(gè)理念，科學(xué)家開發(fā)了一種調(diào)節(jié)柔韌度的機(jī)械手臂復(fù)合系統(tǒng)，它在大小、動(dòng)力學(xué)特征、抓握力方面，與人手達(dá)到了前所未有的相似度。它完全模仿人手，在每一個(gè)關(guān)節(jié)上都安裝了兩部可以互相作用的驅(qū)動(dòng)器。通過整合其中的彈簧組件，這個(gè)機(jī)械臂還可以存儲一定的能量，例如它可以用看上去十分自然的方式拋出一個(gè)球。另外，該系統(tǒng)不但可以將醫(yī)生示范的動(dòng)作復(fù)制下來，還可以把這些復(fù)制下來的動(dòng)作嵌入其他手術(shù)流程中。

未來還需不斷進(jìn)步

50年前，機(jī)器人剛剛出現(xiàn)時(shí)，它們一般是通過液壓傳動(dòng)來產(chǎn)生力量的。到了今天，液壓傳動(dòng)已經(jīng)完全被電動(dòng)機(jī)所取代。目前的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和感應(yīng)技術(shù)在不久的將來還會更加完善。最重要的是，它們的重量將會減輕很多。不過，基于聚合材料或記憶合金的仿生肌肉至今沒有取得技術(shù)上的突破。其他需要優(yōu)化的地方還包括提高機(jī)器人的認(rèn)知能力和實(shí)際操作能力。

未來的機(jī)器人將通過大量的傳感器，用不同的方式感知周圍信息，進(jìn)而理解這些信息，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。機(jī)器人首先要認(rèn)識一些事物，比如它要先認(rèn)識門把手是什么，然后還要知道它應(yīng)該推壓門把手才能把門打開。當(dāng)機(jī)器人學(xué)會了這些基本技能后，它就會做出正確的處理。周圍光線的微小變化，往往就足以擾亂機(jī)器人了。讓機(jī)器人去模仿人類的創(chuàng)造力和智慧，其實(shí)還有很遠(yuǎn)的路要走。在機(jī)器人領(lǐng)域，接下來一定會是緩慢而不斷的進(jìn)步。