科学家研制出新型手术机器人可让手术更完美

2012-03-14 14:31:03来源: 中国新闻周刊

加州大学圣克鲁兹分校的副教授雅各布·罗森和他研发的“乌鸦”机器人手术系统。 图/UCSC

  作为新一代手术机器人,“乌鸦”已进入全美最领先的多家实验室。更加完美的手术和医生之间的远程合作将得以实现

  乌鸦的名声向来不大好听,但美国华盛顿大学的电子工程教授布雷克。汉纳福德和加州大学圣克鲁兹分校(UCSC)的雅各布。罗森等人正在致力于改变乌鸦在人们脑海中固有的印象。今年2月,他们向全美多所大学发放了一批有鸟翼样机械臂的医用机器人,这种机器人就被命名为——“乌鸦”。

  如今,在机器人辅助外科手术设备中,占主导地位的是靠控制台操纵的“达芬奇外科手术系统”。该装置模拟外科医生手部的运动,并等比例地放缓,这样就可以利用微创切口来进行手术了。商用手术机器人系统的主要优点是通过小切口时相当灵活,和现有常规外科技术相比,用这种方式做手术对病人造成的组织损伤小,康复得更快。

  迄今为止,“达芬奇”系统已经生产了几千套,据估计,全世界每年使用该系统的手术超过20万台。从2000年美国食品与药品管理局(FDA)批准“达芬奇”机器人用于人体算起,它至今仍是唯一获得FDA批准销售的机器人手术系统。但是,“达芬奇”还远不够完美。首先,它是固定装置,且重达半吨,这就限制了其调配使用。而且,它售价高达180万美元,不是每家医院都买得起,只有那些有钱的医疗机构才能够拥有。此外,由于“达芬奇”需要专用的软件才能使用,所以那些热衷于研究机器人的技术人员,即使买得起“达芬奇”,自己也无法对其操作系统进行调整。

  共享的“乌鸦”

  “乌鸦”手术机器人就没有“达芬奇”的这些缺点。“乌鸦”的原型最初是2005年由汉纳福德和罗森为美国军方研制的战地手术机器人。相对于“达芬奇”而言,它紧凑、轻便又价廉,价格大约在25万美元。新版“乌鸦”的体积更小,机械手更为灵巧,可以在手术过程中拿住手术器具。更重要的是,对于研究而言,它也是最先使用开放源软件的手术机器人,由于采用Linux操作系统,允许用户根据需要自行修改代码,这让它可以很容易地与其他装置相连接,为研究人员进行外科手术的实验和协作创建了一条通路。

  罗森和担任华盛顿大学生物机器人实验室主任的汉纳福德共同领导研制“乌鸦Ⅱ”机器人手术系统的研究小组,在美国国家科学基金会的资助下,已经制造了7套 “乌鸦Ⅱ”系统。目前,这些设备是为美国主要的医学实验室而制造的。在完成最后一轮测试后,其中五个系统已经被运送到哈佛大学、约翰。霍普金斯大学等机构的医用机器人研究所,另外两套系统则留在加州大学圣克鲁斯分校和华盛顿大学。

  “乌鸦Ⅱ”系统具有两条机械臂、一个观察手术现场的摄像头和一个可以进行在线远程手术的机器人手术界面。它允许医生从远程位置操作机器人系统,可以为偏远地区或发展中国家提供更好的专家医疗。有了实验室研究网络的公共平台,各大学的研究人员可以分享软件、重复试验,并在其他方面展开合作。

  即使这意味着给竞争对手提供自己花好几年时间才研究出来的工具,罗森和汉纳福德还是决定分享“乌鸦Ⅱ”的成果,因为这似乎是推动这一领域进步的最佳路径。

  美国大部分手术机器人的研究都集中开发各种不同机器人系统的软件,学术人员没有权限研究这些私人系统。罗森说,“通过在学术界内提供高质量的硬件,我们正在改变这一现状。每个实验室都从一个相同的操作系统开始,他们研究的结果和提出的改进都将储存在一个在线知识库中,对所有人开放,彼此可以交换硬件和软件,并分享新的进展和算法,同时又可以保留自己发明的知识产权。”

  目前,哈佛大学的罗伯。豪和他的团队正在试验利用“乌鸦”机器人在跳动的心脏上做手术。与此同时,加州大学洛杉矶分校的沃伦。谷伦德菲斯特正致力于使通过触觉实现人机交流的研究。加州大学伯克利分校的派伊特。艾贝尔和肯。高博格正在尝试教导机器人通过模拟医生的手法而自动做手术。而罗森博士自己正在潜心研究外科医生与手术机器人如何通力协作的方法。

  美国食品与药品管理局还没有批准研究型“乌鸦”用作人体的手术,所以,目前所有的研究都被限定在用动物或人类尸体做手术。但是,研究人员相信,只要经过足够的试验,随着时间的推移,“乌鸦”迟早会得到FDA的批准。

  让手术更完美

  为什么现在的心脏外科手术做不到更加完美呢?其中主要原因是人类视觉和动作的限制。医生在一个打开的胸腔中修复心脏时,他的肉眼并不能看清一切,就算是训练有素的外科医生,仅凭其双手也不能精确地感受到手术部位的一切。

  为此,哈佛大学生物机器人实验室教授罗伯特。豪想给外科医生配备一个机器人助手。豪和他的团队测试“乌鸦”机器人的目的,是帮助外科医生在心脏周围观察和导航。该系统运用3D超声成像来实时呈现人体内部器官。“直到现在,所有的超声波扫描仪产生的都是2D切面图像,因而没有充分显示心脏的影像,不足以让外科医生有效地工作。”豪说,“我们获得的是用扫描仪产生的立体图像,用我们所编写的快速图像加工软件可以定位目标组织和手术器械。”

  现在,像“达芬奇”这样的机器人,目的都是复制人的动作并辅助人的感知。但是,专长于计算机视觉研究的约翰。霍普金斯大学计算机科学教授格雷戈里。海格认为,“乌鸦”还有更多的提升空间,他说:“手术机器人的目的,就是要做超过人的能力所及的事情,要做到这一点,就需要机器人智能到能够看出医生正在做什么,并及时提供适当的辅助。出于安全的考虑,还可以远程设置手术的禁区,所有这些都在研制中。”

  “乌鸦”机器人软件可以在一个高性能图像处理计算机上运行,这种计算机和那些顶级配置的游戏电脑类似。豪指出,可以产生高质量电脑游戏图像的处理器,对于实时医学成像是很理想的。他说,“我们需要强大的处理能力,这是因为超声扫描仪产生数据的传送速度很快。此外,由于超声波图有噪声,所以需要一种复杂的算法来穿过噪声追踪目标。”

  在哈佛,豪和他的团队在实验室的机器人上利用一种单一快速的动作,来配合心脏的跳动。当手术仪器到达器官时,周围的控制回路关闭,仪器就会自动移动,与心脏组织的跳动串接。“医生可以命令机器人的动作与心脏的博动相呼应,”他说,“在理想的情况下,这就好像医生是在静止的心脏上做手术。”

  海格的小组正在研究手术机器人是否能使得创伤性手术更安全,比如内窥镜鼻窦手术是利用鼻内窥镜治疗鼻息肉和鼻窦炎的方法。这是一种有风险的手术,因为鼻窦靠近至关重要的眼睛和大脑。“当你做这样一个手术时,鼻窦是进入头部中心的干线,大脑组织就在那里,”海格说,“当你进入时,那里有很多‘地雷’,你需要经过视神经、颈动脉,还有控制面部运动的颅面神经。”

  出血和解剖变化会妨碍外科医生的观察,而破坏这些关键的组织结构会导致颅内出血。“乌鸦”系统可能会改进现有的CT导航系统,在医生进行鼻窦手术时,应用的是安装在鼻窦内窥镜端部可以确定3D位置的成像系统。

  海格说,5年至10年以后,医学院的学生可能会把“乌鸦”作为一种外科学习的工具。这个系统可以记录专家在缝合、切除以及其他手术操作中的手法,使得该系统可以衡量和比较年轻医生做同样手术时的能力。

  罗森和他的同事已经在研制“乌鸦IV”手术机器人系统,这个系统包括四个机械臂和两台相机,这一系统可以让在不同地点工作的外科医生通过互联网进行合作。要不了多久,不同手术室之间的远程控制与合作,将是稀松平常的事情。

关键字:研制  手术机器人  机器人  手术

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2012/0314/article_2753.html
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