加州大學聖克魯茲分校的副教授雅各布羅森和他研發的“烏鴉”機器人手術系統。 圖/UCSC

　　作為新一代手術機器人，“烏鴉”已進入全美最領先的多家實驗室。更加完美的手術和醫生之間的遠程合作將得以實現

　　文/呂靜

　　烏鴉的名聲向來不大好聽，但美國華盛頓大學的電子工程教授佈雷克。漢納福德和加州大學聖克魯茲分校(UCSC)的雅各布。羅森等人正在致力於改變烏鴉在人們腦海中固有的印象。今年2月，他們向全美多所大學發放了一批有鳥翼樣機械臂的醫用機器人，這種機器人就被命名為——“烏鴉”。

　　如今，在機器人輔助外科手術設備中，佔主導地位的是靠控制臺操縱的“達芬奇外科手術系統”。該裝置模擬外科醫生手部的運動，並等比例地放緩，這樣就可以利用微創切口來進行手術了。商用手術機器人系統的主要優點是通過小切口時相當靈活，和現有常規外科技術相比，用這種方式做手術對病人造成的組織損傷小，康復得更快。

　　迄今為止，“達芬奇”系統已經生産了幾千套，據估計，全世界每年使用該系統的手術超過20萬台。從2000年美國食品與藥品管理局(FDA)批准“達芬奇”機器人用於人體算起，它至今仍是唯一獲得FDA批准銷售的機器人手術系統。但是，“達芬奇”還遠不夠完美。首先，它是固定裝置，且重達半噸，這就限制了其調配使用。而且，它售價高達180萬美元，不是每家醫院都買得起，只有那些有錢的醫療機構才能夠擁有。此外，由於“達芬奇”需要專用的軟體才能使用，所以那些熱衷於研究機器人的技術人員，即使買得起“達芬奇”，自己也無法對其操作系統進行調整。

　　共享的“烏鴉”

　　“烏鴉”手術機器人就沒有“達芬奇”的這些缺點。“烏鴉”的原型最初是2005年由漢納福德和羅森為美國軍方研製的戰地手術機器人。相對於“達芬奇”而言，它緊湊、輕便又價廉，價格大約在25萬美元。新版“烏鴉”的體積更小，機械手更為靈巧，可以在手術過程中拿住手術器具。更重要的是，對於研究而言，它也是最先使用開放源軟體的手術機器人，由於採用Linux操作系統，允許用戶根據需要自行修改代碼，這讓它可以很容易地與其他裝置相連接，為研究人員進行外科手術的實驗和協作創建了一條通路。

　　羅森和擔任華盛頓大學生物機器人實驗室主任的漢納福德共同領導研製“烏鴉Ⅱ”機器人手術系統的研究小組，在美國國家科學基金會的資助下，已經製造了7套 “烏鴉Ⅱ”系統。目前，這些設備是為美國主要的醫學實驗室而製造的。在完成最後一輪測試後，其中五個系統已經被運送到哈佛大學、約翰。霍普金斯大學等機構的醫用機器人研究所，另外兩套系統則留在加州大學聖克魯斯分校和華盛頓大學。

　　“烏鴉Ⅱ”系統具有兩條機械臂、一個觀察手術現場的攝像頭和一個可以進行在線遠程手術的機器人手術界面。它允許醫生從遠程位置操作機器人系統，可以為偏遠地區或發展中國家提供更好的專家醫療。有了實驗室研究網絡的公共平臺，各大學的研究人員可以分享軟體、重復試驗，並在其他方面展開闔作。

　　即使這意味著給競爭對手提供自己花好幾年時間才研究出來的工具，羅森和漢納福德還是決定分享“烏鴉Ⅱ”的成果，因為這似乎是推動這一領域進步的最佳路徑。

　　美國大部分手術機器人的研究都集中開發各種不同機器人系統的軟體，學術人員沒有權限研究這些私人系統。羅森説，“通過在學術界內提供高質量的硬體，我們正在改變這一現狀。每個實驗室都從一個相同的操作系統開始，他們研究的結果和提出的改進都將儲存在一個在線知識庫中，對所有人開放，彼此可以交換硬體和軟體，並分享新的進展和算法，同時又可以保留自己發明的知識産權。”

　　目前，哈佛大學的羅伯。豪和他的團隊正在試驗利用“烏鴉”機器人在跳動的心臟上做手術。與此同時，加州大學洛杉磯分校的沃倫。谷倫德菲斯特正致力於使通過觸覺實現人機交流的研究。加州大學伯克利分校的派伊特。艾貝爾和肯。高博格正在嘗試教導機器人通過模擬醫生的手法而自動做手術。而羅森博士自己正在潛心研究外科醫生與手術機器人如何通力協作的方法。

　　美國食品與藥品管理局還沒有批准研究型“烏鴉”用作人體的手術，所以，目前所有的研究都被限定在用動物或人類屍體做手術。但是，研究人員相信，只要經過足夠的試驗，隨著時間的推移，“烏鴉”遲早會得到FDA的批准。

　　讓手術更完美

　　為什麼現在的心臟外科手術做不到更加完美呢？其中主要原因是人類視覺和動作的限制。醫生在一個打開的胸腔中修復心臟時，他的肉眼並不能看清一切，就算是訓練有素的外科醫生，僅憑其雙手也不能精確地感受到手術部位的一切。

　　為此，哈佛大學生物機器人實驗室教授羅伯特。豪想給外科醫生配備一個機器人助手。豪和他的團隊測試“烏鴉”機器人的目的，是幫助外科醫生在心臟周圍觀察和導航。該系統運用3D超聲成像來實時呈現人體內部器官。“直到現在，所有的超聲波掃描儀産生的都是2D切面圖像，因而沒有充分顯示心臟的影像，不足以讓外科醫生有效地工作。”豪説，“我們獲得的是用掃描儀産生的立體圖像，用我們所編寫的快速圖像加工軟體可以定位目標組織和手術器械。”

　　現在，像“達芬奇”這樣的機器人，目的都是複製人的動作並輔助人的感知。但是，專長于計算機視覺研究的約翰。霍普金斯大學計算機科學教授格雷戈裏。海格認為，“烏鴉”還有更多的提升空間，他説：“手術機器人的目的，就是要做超過人的能力所及的事情，要做到這一點，就需要機器人智慧到能夠看出醫生正在做什麼，並及時提供適當的輔助。出於安全的考慮，還可以遠程設置手術的禁區，所有這些都在研製中。”

　　“烏鴉”機器人軟體可以在一個高性能圖像處理計算機上運行，這種計算機和那些頂級配置的遊戲電腦類似。豪指出，可以産生高質量電腦遊戲圖像的處理器，對於實時醫學成像是很理想的。他説，“我們需要強大的處理能力，這是因為超聲掃描儀産生數據的傳送速度很快。此外，由於超聲波圖有噪聲，所以需要一種複雜的算法來穿過噪聲追蹤目標。”

　　在哈佛，豪和他的團隊在實驗室的機器人上利用一種單一快速的動作，來配合心臟的跳動。當手術儀器到達器官時，周圍的控制回路關閉，儀器就會自動移動，與心臟組織的跳動串接。“醫生可以命令機器人的動作與心臟的博動相呼應，”他説，“在理想的情況下，這就好像醫生是在靜止的心臟上做手術。”

　　海格的小組正在研究手術機器人是否能使得創傷性手術更安全，比如內窺鏡鼻竇手術是利用鼻內窺鏡治療鼻息肉和鼻竇炎的方法。這是一種有風險的手術，因為鼻竇靠近至關重要的眼睛和大腦。“當你做這樣一個手術時，鼻竇是進入頭部中心的幹線，大腦組織就在那裏，”海格説，“當你進入時，那裏有很多‘地雷’，你需要經過視神經、頸動脈，還有控制面部運動的顱面神經。”

　　出血和解剖變化會妨礙外科醫生的觀察，而破壞這些關鍵的組織結構會導致顱內出血。“烏鴉”系統可能會改進現有的CT導航系統，在醫生進行鼻竇手術時，應用的是安裝在鼻竇內窺鏡端部可以確定3D位置的成像系統。

　　海格説，5年至10年以後，醫學院的學生可能會把“烏鴉”作為一種外科學習的工具。這個系統可以記錄專家在縫合、切除以及其他手術操作中的手法，使得該系統可以衡量和比較年輕醫生做同樣手術時的能力。

　　羅森和他的同事已經在研製“烏鴉IV”手術機器人系統，這個系統包括四個機械臂和兩台相機，這一系統可以讓在不同地點工作的外科醫生通過互聯網進行合作。要不了多久，不同手術室之間的遠程控制與合作，將是稀鬆平常的事情。