Sci Robot | 首例手術(shù)機器人自主完成腸道吻合手術(shù)
原創(chuàng)?存在一棵樹?圖靈基因?
收錄于話題#前沿分子生物學(xué)技術(shù)
撰文：存在一棵樹
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闡述了一種腹腔鏡軟組織手術(shù)的自主策略课梳，并展示了首例在豬的軟組織上由機器人獨立完成的腹腔鏡小腸吻合術(shù)藏否。
2022年1月26日，約翰·霍普金斯大學(xué)懷廷工程學(xué)院機械工程系助理教授Axel Krieger及其團隊在《Science Robotics》上發(fā)表了一篇名為“Autonomous robotic laparoscopic surgery for intestinal anastomosis”的文章焰檩。本文比較了已開發(fā)的自主系統(tǒng)倾芝、手動腹腔鏡手術(shù)和機器人輔助手術(shù)的吻合質(zhì)量標準讨勤，并表明該機器人手術(shù)自主策略在一致性和準確性方面優(yōu)于專家外科醫(yī)生的手動技術(shù)和?RAS技術(shù)箭跳。
與當前的遙控機器人輔助手術(shù)?(RAS)?相比，自主機器人手術(shù)系統(tǒng)具有顯著提高效率潭千、安全性和一致性的潛力谱姓，例如達芬奇機器人?(Intuitive Surgical Inc.)，該系統(tǒng)旨在提供獨立于個人經(jīng)驗和日常性能變化的標準手術(shù)解決方案刨晴。由于腸道吻合術(shù)需要完成高水平的重復(fù)運動屉来，因此對動作的控制和精準度方面都有較高的要求，因此針對自主軟組織手術(shù)方面的自主手術(shù)機器人系統(tǒng)現(xiàn)面臨較大的挑戰(zhàn)狈癞。
該團隊的第一個突破是使用了智能組織自主機器人(STAR)實現(xiàn)機器人腹腔鏡小腸吻合術(shù)所必需的自主性強化茄靠。如圖?1所示，該系統(tǒng)由一個?KUKA LBR Med?機器人和一個用于機器人縫合的電動?Endo 360?縫合工具和第二個?KUKA LBR Med?機器人組成蝶桶，攜帶內(nèi)窺鏡雙攝像頭系統(tǒng)嘹黔，包括?NIR?攝像頭和?3D?單色內(nèi)窺鏡。其中攝像系統(tǒng)允許?STAR?在組織上自主跟蹤生物相容性?NIR?標記并重建組織的?3D?表面莫瞬，從而用于縫合規(guī)劃；NIR標記則提供一種用于跟蹤組織上所需標志的方法郭蕉，如目標組織上縫合過程的起點和終點疼邀，該方法對手術(shù)期間的血液和薄組織閉塞具有魯棒性，因此系統(tǒng)的自主性和手術(shù)精度得以增強召锈。
為跟蹤腹腔鏡手術(shù)期間由于呼吸和其他組織運動引起的組織運動旁振，該團隊還開發(fā)了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?(CNN)?的機器學(xué)習(xí)算法以及來自?NIR?相機的反饋。如圖2所示涨岁，通過從腹腔鏡豬小腸吻合手術(shù)收集的數(shù)據(jù)標記了總共?9294?個不同運動曲線的示例（4317個用于呼吸示例拐袜，4977?個用于停止呼吸示例），以此在更復(fù)雜的運動跟蹤設(shè)置中訓(xùn)練系統(tǒng)梢薪。
隨后蹬铺，該團隊使用幻影腸組織（3D Med）進行端到端吻合的實驗，測試比較了STAR秉撇、手動腹腔鏡方法（LAP）以及基于達芬奇?SI?的RAS方法甜攀。其中LAP?和?RAS?數(shù)據(jù)來自喬治華盛頓大學(xué)醫(yī)院或國家兒童醫(yī)院的四位不同外科醫(yī)生。用于評估幻影組織測試條件結(jié)果的性能指標包括任務(wù)完成時間琐馆、每針縫合猶豫事件的數(shù)量规阀、縫合間距和縫合位深度。如圖3所示瘦麸，記錄和分析單獨的?STAR谁撼、LAP?和?RAS?測試，以測量完成結(jié)滋饲、完成縫合厉碟、計劃和監(jiān)督的總時間喊巍，表明STAR在一致性和準確性方面優(yōu)于專家外科醫(yī)生的手動技術(shù)和RAS?技術(shù)。
由于標記物很難被批準用于臨床應(yīng)中的長期植入墨榄，這里最大限度地降低相機系統(tǒng)的復(fù)雜性并消除對標記物的需求玄糟，旨在用基于?CNN?的地標檢測算法替換基于熒光標記物的成像，這里的數(shù)據(jù)處理包含一個CNN?架構(gòu)和一個后處理步驟袄秩。如圖4所示阵翎，兩個U-Net?級聯(lián)用于分割輔助地標檢測，第一個U-Net將每個單獨的灰度腸道圖像作為獨立的輸入之剧，輸出腸道組織的分割結(jié)果郭卫；第二個U-Net將腸道圖像和第一個?U-Net?的分割結(jié)果作為輸入，并輸出一個界標熱圖背稼；最終的分割和熱圖結(jié)果被裁剪并與腸道圖像組合成彩色圖像贰军。
如圖5所示，為檢測手術(shù)效果蟹肘，研究人員對小豬進行了為期?1?周的術(shù)后存活期監(jiān)測词疼，并在最后進行了尸檢，檢查指標包括與對照動物一致的瘢痕組織和粘連帘腹、殘留?NIR?標記必須被封裝并保留在吻合口之外贰盗，并并進行泄漏和管腔通暢測試。生存研究結(jié)果表明阳欲，STAR?系統(tǒng)可以在無泄漏吻合和管腔通暢等指標上與專家外科醫(yī)生的表現(xiàn)相媲美舵盈，系統(tǒng)甚至表現(xiàn)出更高的一致性水平。
綜上所述球化，該團隊展示了在運動和視覺約束下的非結(jié)構(gòu)化和可變形環(huán)境中的腹腔鏡自主軟組織腸道手術(shù)秽晚，并發(fā)并測試了先進的成像系統(tǒng)、機器視覺和機器學(xué)習(xí)技術(shù)以及實時控制策略筒愚，以跟蹤組織位置和變形赴蝇，執(zhí)行復(fù)雜的手術(shù)計劃，與人類用戶互動巢掺，并自適應(yīng)地執(zhí)行手術(shù)計劃扯再。
教授介紹
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Axel Krieger，博士址遇，現(xiàn)任于約翰霍普金斯大學(xué)機械工程助理教授熄阻，也是計算與傳感與機器人實驗室（LCSR）的成員。其在德國卡爾斯魯厄大學(xué)完成了他的本科和碩士學(xué)位倔约，并在約翰霍普金斯大學(xué)獲得了博士學(xué)位秃殉，并開創(chuàng)了一種MR引導(dǎo)前列腺活檢機器人，用于三家醫(yī)院的50多個患者程序。目前Krieger博士的工作重點是開發(fā)用于醫(yī)療機器人的新型工具钾军，成像和機器人控制技術(shù)鳄袍，即提高智能性和自主性以及改善醫(yī)療機器人的圖像引導(dǎo)以執(zhí)行以前不可能完成的任務(wù)，從而提高效率并改善患者預(yù)后的方法吏恭。
參考文獻
1拗小、Saeidi, H et al. “Autonomousrobotic laparoscopic surgery for intestinal anastomosis.” Science robotics vol.7,62 (2022): eabj2908.
