一文概览AI在机器人手术中的利用

做者：MedRobot

文章来源：MedRobot；编纂：Mint

从地图导航线径抉择，到ChatGPT草拟电子邮件，人工智能便当了人们的日常生活，降低了各类使命的难度。同样，在医疗保健范畴，人工智能也发扬着重要的感化。在现有手艺的根底上，将人工智能和机器进修整合进手术室，落实到医疗办事中，关于患者、医生甚至病院，都有很大的价值。

人工智能基于特定的算法，付与计算机与人类思维类似的认知功用（如处理问题、提出决策等）。在机器进修（ML）和天然语言处置（NLP）的朝上进步下，人工智能正在改动医疗保健行业。因为那项手艺需要大量实在数据的支持，因而人工智能在外科范畴的开展并不是一蹴而就。AI是对外科医生技能的填补，而非替代。

虽然外科医生、患者与计算机之间的关系和潜力还未得到足够的发掘，人工智能在外科手术中的利用已经为医生和患者带来了严重改变：机器人辅助手术中的术前规划和术中导航在计算机断层扫描（CT）、超声波和磁共振成像（MRI）的撑持下继续朝上进步，而微创手术（MIS）与机器人辅助相连系，削减手术创伤，提拔患者的康复速度。

01人工智能在机器人手术中的优势

1. 大数据进修才能

外科医生数十年间的不竭进修、操练和朝上进步培养了他们精湛的手艺，但其熟悉和进修仍然存在局限性。人工智能系统可以在短短的几秒内吸收海量的信息，却无法担任人类医生在整个治疗流程中的角色。

手术机器人的开发凡是以人工智能的“大数据进修”优势为核心，凸起人工智能将信息和数据的潜在用处更大化的功用。基于人工智能的手术系统不受时间或记忆的限造，能够在几秒钟内输进成千上万的手术笔录，并以同等的准确度记住那些内容。

因而，机器人手术能够依靠人工智能吸收更多的数据，并做为外科医生在其职业生活生计各个阶段的进修东西。从对医生停止差别手术办法的培训，到为开展中地域的外科医生供给集中的进修时机，人工智能能够重塑医生进修、理论和完美其手术技能的体例。

2. 识别新的趋向

人工智能为外科医生供给了全新视角，为传统手术引进了新的办法，并逐步成立新的手术原则。通过进修海量的手术数据，基于人工智能的手术机器人系统可以为外科医生供给极具参考性的手艺定见，为医生和患者供给更好的手术体验。人工智能引导的机器人手术逐步在世界各地普及，力图实现手术的更佳效果。

3. 缓解认知压力与身体压力

除了进修海量手术数据以供给手术定见之外，人工智能能够通过减轻外科医生的压力来提拔机器人手术效果。通过凸起展现东西、操做监控和警报功用，基于人工智能的手术机器人系统可以敌手术停止批示，并使手术流程愈加精简。根据差别患者的需求，人工智能可以绘造出更佳手术步调，节约手术时间，减轻外科医生的认知压力，使他们可以以更高的程度停止更大量的手术，以获得更好的成果。

现实上，在航空范畴，人工智能已经表现了那方面的优势。Airspace Intelligence的人工智能系统Flyways根据气候揣测、平安风险、燃料效率等因素不竭优化飞翔道路，减轻了航空公司签派员和飞翔员的压力，使他们不再需要暂时改动飞翔道路。此外，人工智能规划飞翔道路可以有效地削减飞翔时间和燃料消耗，提拔了飞翔的平安性和效率。

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此外，人工智能还可以操纵其数据库中大量的“体味”为手术室供给更契合人体工程学的处理计划，以减轻外科医生在手术中所承担的身体压力。因而，人工智能和机器人手术平台彼此搭配，有利于外科医生的身体安康，并耽误他们的职业生活生计。

4. 从头定义外科护理

现现在，仍然有全球三分之二的生齿（约50亿人）无法在最需要的时候获得外科治疗。然而，利用基于人工智能的手术机器人系统，有看缩小那一差距，使世界各地的患者都可以获得更好的外科护理。

人工智能能够确保更多的医生有时机进修到范畴内的前沿常识，从而扩展专业机器人外科医生的数量。无论他们身处何处，能获得何种资本，外科医生都能够进修和操纵基于人工智能的手术机器人手艺，以笼盖更多的患者群体。此外，人工智能还能够搀扶帮助外科医生扩展专业范畴，进修并停止更多品种的手术，扩展其影响力。

02 人工智能在各个手术环节中的角色

1. 术前规划

术前规划是外科医生根据患者的病例和影像材料来造定手术方案的阶段。除了利用一般的图像阐发手艺和机器进修之外，人工智能的深度进修也为那一环节做出了奉献。

现在，深度进修已被用于剖解学分类、检测朋分与图像配准。深度进修算法可以从CT扫描中识别患者的反常情状，如小腿骨折、颅内出血和脑中线偏移等问题，提拔诊断的效率和及时性，展示了主动化分诊的潜力。

深度进修的轮回神经收集（RNN） 已被用于肾衰竭的实时揣测、心脏手术后的灭亡率以及术后出血的揣测，比传统的检测办法效果更好。那些通过搜集临床数据即可实现，无需人工参与，并可以对有此类并发症风险的患者赐与更及时的护理。

2. 术中引导

计算机辅助的术中引导不断被认为是微创手术的根底。人工智能可以进修手术战略，并将那些战略（如组织逃踪成像）利用在微创手术中。

对组织构造变形的准确逃踪 在微创手术的术中引导和导航中至关重要。因为组织构造的改变较为复杂，科学家们开发了一个基于算法的在线进修框架，以便在体内停止准确的 软组织逃踪。

3. 人工智能辅助机器人手术

人工智能驱动的手术机器人可以协助手术器械的操做和定位，使外科医生更专注于其他复杂的手术操做，提拔手术效果，进而降低整个手术的成本。

通过机器进修，手术机器人可以阅读数以百万计的数据集，总结出特定情状下的更佳手术战略。

美国腹腔镜手术机器人公司Asensus Surgical旗下的绩效引导手术（performance-guided surgery, PGS）在腹腔镜查抄的根底上，增加了机器视觉、加强智能和深度进修才能，通过向外科医生反应手术信息来批示与改进决策，加强手术的可揣测性。反之，人类外科医生的操做也会被人工智能进修和吸收，优化手术效果。

从演示中进修 （Learning from demonstration，LfD）是一种用于“操练”人工智能的办法，目标是使人工智能在已有的信息根底上，构成独立完成新使命的才能。在第一阶段，LfD将一个复杂的外科使命分红几个子使命和根本操做。在第二阶段，手术机器人会识别、模仿并以挨次形式施行子使命，搀扶帮助人类外科医生完成手术中反复性的操做。

扩展自主机器人在外科手术（出格是微创手术中）中的利用以及那些机器人施行的使命品种是一项艰巨的工做。为处理此问题，约翰·霍普金斯大学（JHU）和曲觉外科公司在IRB批准的研究中，操纵达芬奇手术人系统协做搜集了来自8名掌握差别技能的外科手术医生的手术数据，并成立了第一个公共的基准手术数据集——JHU-ISI手势和技能评估工做集（JIGSAWS, JHU-ISI Gesture and Skill Assessment Working Set），一个用于人体运动建模的外科活动数据集。

在数据搜集的过程中，运动学和三维动做被捕获，接着AI对其停止阐发——识别缝合、传针和打结动做，准确率约为80%，那证明AI在揣测差别外科医生的手势活动方面还有很大的提拔空间。

除此之外，在许多外科使命中，强化进修（reinforcement learning, RL）也是一种经常利用的机器进修范式，用于施行手术中的“子使命”（如插管和软组织操做等）。那些使命很难构成切确的阐发模子，因而，强化进修算法基于“从演示中进修”的战略，而非从零进修，以削减了机器进修过程所需的时间。

03人工智能辅助机器人手术案例

1. 非接触式人机互动辅助手术

人机互动使人类外科医生可以以无接触的体例来操做手术机器人。那种操做能够通过甚部或手部运动、语言和语音识别、或外科医生的视线来实现。

▲FAce MOUSe: A novel human-machine interface for controlling the position of a laparoscope

目前，外科医生的头部运动已被用于长途掌握机器人腹腔镜：FAce MOUSe是一个用于实时监测外科医生面部动做且不需要任何身体接触的人机互动安装。腹腔镜的运动由外科医生的面部活动简单而准确地掌握，为各类外科手术供给了无需肢体接触和语言交换的人机协做体例。

2. 人工智能驱脱手术机器人停止血管缝合

2017年，荷兰的马斯特里赫特大学医疗中心（Maastricht University Medical Center）在一次显微外科手术干涉中利用了人工智能驱动的机器人，手术机器人缝合了一个受淋巴水肿影响的患者在0.03-0.08毫米之间的血管。那种慢性病凡是是在治疗乳腺癌期间呈现的副感化，储蓄积累的液体招致肿胀。

手术中利用的机器人由Microsure公司创造，由一名人类外科医生把持。他的手部动做在“机器手”的辅助下得到了简化，后者可以停止更小、更切确的手术操做。此外，手术机器人还被用来修复外科医生动做中的颤动，确保人工智能驱动的机器人准确地停止手术。

3. 人工智能算法辅助机器人植发手术

在机器人植发手术中，手术机器人可以在人工智能算法的搀扶帮助下，摘集毛囊并将其移植到头皮的切确区域。在如许的机器人辅助微创手术中，不再需要手术切除供体区域，也不需要植发医生在长达几小时的手术中一次次手动提取毛囊。

04结语

医学与科技的连系，使患者在护理各个阶段的数据和治疗体例得以做为一种极具价值的临床信息被捕获和笔录，进一步鞭策手艺的朝上进步，构成良性轮回。同时，人工智能进进手术室也有看改动外科教学和理论的体例。

将人机互动融进机器人手术，意味着机器人不再是简单的人工智能驱动设备，为此，那类新型器械的审批也需要监管机构的非分特别存眷。

人工智能与机器人手术相辅相成，二者的连系对改进外科医生和患者的治疗体验至关重要。借助人工智能，人们将有时机重塑外科机器人手术，将医疗保健行业推向新的高度。

参考文献：

1 Nishikawa, Atsushi et al. “FAce MOUSe: A novel human-machine interface for controlling the position of a laparoscope.” IEEE Trans. Robotics Autom. 19 (2003): 825-841

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