骨科機器人助力新技術革命

田 偉

(中國工程院院士、北京積水潭醫院首席科學家、骨外科專家、主任醫師)

在上個世紀50年代以前,骨科還基本上不是一個純粹的手術科室,大部分的疾病是保守治療,在上個世紀五六十年代發生了第一次骨科相關的技術革命,就是各種的內固定、人工關節和人工材料,徹底改變了骨科治療的方式。我記得即使是到了比較晚,像1983年我畢業之后的那一段時間,我們保守治療的病人仍然是很多的,我們住院的病人一住都是幾個月,是很長的。但是這場革命很快波及到我們國家,因為有改革開放,我們迅速的吸納了世界上的這些先進技術,今天因為有了那一場革命,我們的骨科住院時間大大縮短,一個骨折患者做完手術第二天就可以出院了,很多的微創手術當天就可以下地行走,要想想幾十年前得躺在床上三四個月,這是飛躍的發展。在這之后我們還能不能有更新的一場進步呢?這就牽涉到我們今天的主題。

其實說到機器人,大家就會想很多很多,這個東西還真的就是想出來的,它一開始是從文學幻想,當然影響到現代機器人的,我們只能說一個比較著名的近代作家叫阿西莫夫,一個俄羅斯人,大家知道俄羅斯人是很厲害的,在科技、文學等很多方面。他到了美國發表了一系列科幻小說,都是關于機器人的,其中比較有代表的就是《我,機器人》,里邊主要描寫了他想象的未來機器人能夠在這個世界上做很多很多事情,并且給機器人制定了很著名的三定律,就是機器人不能對人產生危害等等主要的內容,對近代影響很大。

近些年,互聯網、大數據、人工智能等前沿技術逐漸滲入到骨科醫學的方方面面,推動了新時代新骨科的誕生與演變,同樣也賦予傳統骨科新的理念、新的內涵、新的范圍、新的診療手段與康復模式。這些無論對于骨科醫生還是骨科患者,都會帶來深遠影響。計算機科學與骨科學相結合形成了新興交叉學科——數字骨科,它涉及人體解剖學、立體幾何學、生物力學、材料學、信息學、電子學及機械工程學等領域的知識。具體包括:骨科有限元分析、骨科數字解剖(三維重建)、骨科虛擬仿真手術、骨科快速成型技術、骨科逆向工程技術、計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)技術、術前規劃、計算機輔助骨科導航手術、骨科遠程手術及骨科機器人手術等。這些新技術已逐步在骨科各亞專科得到了廣泛的應用。新理論與新技術催生了臨床專業劃分的變革,使之更合理、更有效率。事實上,一部分比較成熟的人工智能及其相關技術(包括智能化的計算機軟件和機械電子設備)已經開始進入或探索進入臨床應用,如計算機輔助檢測、輔助診斷系統、穿戴設備和遙感遙測系統、生物信息學技術等。

從醫學發展史的角度看,科技進步和新型工具的使用往往會引發技術進步甚至技術革命,形成新的學科甚至新的業態,由此推動生產力的發展。在全球骨科疾病發病率逐步提高的大背景下,精準治療是骨科手術未來方向。人工智能:為骨科注入生命力。人工智能具有和人堪比的學習、創新能力,通過神經網絡系統、軟件算法等實現推理和決策能力,可應用于很多臨床情景中。

醫學影像資料的檢查與骨科疾病的診斷關系比較密切,臨床醫生要解讀大量病人的CT、磁共振成像(MRI)以及X線等光學影像,極大地考驗人類的智力和體力。如今閱片機器人的閱片結果已達到專業技術水準,且閱片速度比人類快。人工智能可以應用圖像識別技術以及海量經驗數據技術,通過學習經驗知識來輔助骨科醫生進行輔助處理,提高骨科醫生的工作效率,并且可以減少某些疾病的誤診和漏診。

像人工智能的學習能力輔助骨科醫生一樣,人工智能的學習能力也可輔助骨科護理人員。將護理知識、護理案例以及護理經驗集中匯總到人工智能系統中,就能建立骨科病人護理大數據。當病房收治新病人,輸入新病人的病例特征后,人工智能就可以快速地為護理人員推薦出最佳的護理方案。

隨著精準醫學的不斷發展,骨科機器人引起了人們的廣泛關注。憑借智能、精準等技術特征,機器人在實際的骨科應用中凸顯優勢,極大改變了傳統骨科手術依靠手術醫生的專業知識和經驗的狀況,并且大大改變了操作不精準、損傷大的情況,達到了外科手術微創化、精準化、效果優的目的。

目前,骨科機器人已經廣泛應用在脊柱外科、膝關節置換、髖關節置換等手術中。國內多家大學、多位學者、多家公司為此均進行了一系列智慧骨科產業化探索,國產骨科手術機器人在高難度骨科手術自動導航技術上成功實現了跟跑、并跑,正逐步邁向領跑。

其中,天璣骨科手術機器人是唯一以“國際原創”入選科技部首次發布的《創新醫療器械產品目錄(2018)》的臨床治療設備。同時,還創建了骨科機器人手術臨床指南、診療規范,代表中國企業首次參與手術機器人IEC國際標準制定。

有了機器人我們就可以嘗試讓它的擴展,正好我們國家在5G方面是世界領先的,所以我們就在這樣的條件下跟中國電信合作做了一個創意,叫one tomany的技術,我們同時在北京能夠操控不同地方的兩臺機器人同時兩臺手術,一個是煙臺,一個是嘉興,是通過遠程5G來實現的。嘉興那個,它是一個椎體的骨折,我們在北京做了骨折的手術設計,然后我們通過北京來操控機器人,把這個螺釘,這是安裝好的狀態。這是另外一個,不但骨折,還出現了壓縮和畸形,螺釘需要有一個特殊的位置的設計,我們在過去臨床上這種特殊位置的設計是不好達到的,實際上我們看到機器人它就能夠完全按照你醫生設計的角度打到那個位置。我們還嘗試了一對三,一對三就稍微有點困難,說實在的一對二我覺得還是不錯,一對三勉勉強強能做下來。

到目前為止國際上有很多5G的手術,但多數都是一種展示,也有一些領導說我們搞5G遠程手術說得挺熱鬧,實際上是沒有實用性的,還沒有達到這一點,但是我們是能夠做到了它的實用性,我們不但有那樣的展示,我們到現在為止遠程5G平臺已經完成了100多例了手術,它相對可以比較常規的進行。

當然機器人發展過程中也可能會遇到一些危機,就像阿西莫夫講的,他寫小說都能寫出來可能會有危險,未來機器人我們要想避免這些危險,一個要堅持它對醫學的正向幫助,而不是在我們現在的階段就去追求替代醫生,我們不是沒有這樣的常識,像沃司他們想替代一個腫瘤醫生,從診斷到治療方案都是由機器人做,當然最后的結局很悲慘,實際上是做不到的,因為現在人工智能還是非常低的一種水平,但是如果像我們成功的案例那樣,你想辦法幫助醫生解決一些他解決不了的問題,那就有很大的幫助。但是除了這個方面之外,我們還要注重醫學的倫理學、法學、經濟學、社會學方面,因為一個新事物出來以后,不像生產線上的機器人,它畢竟和人打交道的,它一定會出現一系列復雜的社會問題,必須要有前瞻性的去研究、去嚴肅的對待,不然的話一旦產生了問題,就像阿西莫夫他擔憂的那樣,就很麻煩了。

再有就是這種高精尖的技術有一個問題,你必須有更嚴格的培訓操作、設備維護和安全管控,才能避免機器人的惡性事故,你像達芬奇我們老說怎么好怎么好,其實世界上報道了很多關于達芬奇的惡性事故,機器人如果在廣泛的推廣使用中你沒有很嚴格的去進行品質管理的話,它就會出現甚至比醫生還嚴重的事故,這是值得我們警惕的。

綜上所述,新技術革命為傳統學科帶來了新的沖擊、新的革命,必然蝶變、再造新的學科鏈;新技術革命在新時代必然重塑、詮釋新的骨科學,以適應新技術革命浪潮,推動學科始終處于科技發展的最前沿。