英国皇家工程院院士杨广中：手术机器人要人机结合近期或无法达到完全智能

随着技术的飞速发展，医疗手术在安全性、可靠性和病人康复速度方面取得了显著的进步。从1967年的第一例心脏移植，到1975年微创手术的诞生，再到2010年脸部整体移植的成功，人类医疗技术的里程碑事件不断推动着医疗行业的进步。

在过去的二三十年中，微创手术的发展尤为突出。得益于先进的手术器械、影像技术的支持，医生在手术前就能对手术过程有清晰的预判。如何操作、如何精准到达病灶、如何最大限度地减轻病人痛苦并加速其康复，这些都是微创手术的核心目标。微创手术也面临一些挑战，操作相对困难便是其中之一。

为了克服这些难题，手术机器人开始在九十年代崭露头角。那么，手术机器人到底有哪些优势呢？它们主要解决了微创手术的三个关键问题。

手术机器人在进行精细操作时，能够实现眼睛和手部运动的完美重合，确保手术操作的精准性。通过灵巧的手术器械，机器人能够完成复杂的操作，甚至实现细密的缝合。手术机器人还能提供清晰的视野，并将动作放大，有助于医生更好地观察和操作。未来，手术机器人甚至可以通过自然腔道进入人体，进行更多显微手术。

回顾手术机器人的发展历程，我们发现它在短短二十五年的时间里经历了巨大的变革。早在九十年代，美国的Computer Motion Inc就推出了AESOP系统，并通过FDA认证。该公司后续发展的Zeus系统，使医生能够坐着操作主机械臂，实现了视野和动作的同步放大，极大地便利了细微手术的操作。与此达芬奇系统也在临床上得到了广泛应用。

手术机器人已从简单的控制系统发展成为今天能进行精密控制并且支持多人协作的复杂系统。除了最初的AESOP和Zeus系统，手术机器人领域还涵盖了骨科和心血管介入等多种系统。

如今，手术机器人的发展日新月异。25年前，手术机器人还是一项新兴技术，如今已逐渐普及。尽管目前手术机器人仍存在价格偏高、适用症有限以及术中影像与智能结合不够紧密等问题，但其市场潜力依然巨大。据估计，手术机器人的年均复合增长率高达13%，到2020年，市场规模可能达到180亿美元，这些估计还是相对保守的。手术机器人的未来充满了无限可能，我们期待着这一领域带来更多的创新与突破。手术机器人的核心功能究竟是什么？

让我们深入解析手术机器人的主要能力。实时手术导航，尽管目前在临床应用上尚未普及，但在接下来的几年里，结合计算机视觉、人工智能、实时配准和增强现实算法，这项技术将迎来巨大的发展。通过下面的视频演示，你能看到肾脏局部肿瘤切除手术的先进过程——手术导航系统精准地将术前影像与术中视觉进行三维重构和配准，实现实时跟踪，肿瘤的边界清晰可见。这套由帝国理工医学院研发的系统，已在微创泌尿外科等手术中展现出强大的应用价值。

尽管手术机器人已在妇科、泌尿外科和骨科等领域有一定应用，但其适用症范围仍相对有限。尤其在需要高精度介入的领域，如心脏手术、脑神经外科和显微手术，手术机器人的需求更为迫切。这些领域的技术发展尚不成熟。值得一提的是，美国的Intuitive Surgical公司在该领域处于领先地位，其达芬奇SP产品经过多年的临床研究，已准备好推向市场，主要用于单孔微创手术。

那么市场情况如何呢？全球使用的达芬奇系统机器人数量已超过4000台。考虑到中国三甲医院的数量，这个市场才刚刚开始，未来的发展空间极为广阔。无论是北美、欧洲还是中国，众多初创公司都在积极布局这一领域。

接下来，我们不禁要思考：手术机器人应该朝什么样的方向发展？是追求高昂价格、庞大体积和强大功能，还是应该追求小巧、灵活和智能化？在《科学》机器人子刊的一篇报道中，提出了医用机器人的6级分类。从初级到第五级，手术机器人的智能化程度逐渐提高。我们是否应该追求全智能的手术机器人——能自动诊断、自动完成所有手术步骤？这在法律和上是否可行？病人是否接受？这些问题都值得我们深入探讨。在我看来，在我的有生之年，第五级机器人的实现可能性似乎并不大。相比之下，研究和产业方面更现实的焦点应该集中在1至4级的医用机器人。我们需要深思熟虑的问题包括：我们应该在哪一级布局？如何与国内的临床需求相结合？法律和问题能否通过？

第1级机器人已经具备一些简单的辅助能力，例如在手术过程中规避大血管和重要的神经系统。随着技术的发展，第2级手术机器人可以自动完成医生指定的小步骤，如缝合血管或器官组织。这些步骤通常是机械且重复的，未来有潜力由机器人完全承担。到了第3级，手术机器人能够自动完成手术中的一个步骤，但仍然处于临床医生的全面控制之下。第4级手术机器人的能力已经接近一般外科医生的水平，但在应对术中复杂和突发事件方面仍需要经验丰富的医生在旁边监护。而第5级机器人，作为最高级别的存在，就像一位主任医生，能够全自动进行手术，无需任何人为干预。在未来的25年里，机器人将逐渐变得更加智能化，与智能的结合将创造一个无比美好的场景。

如果我们选择在技术方面布局，应该从1到2级、再到3、4级进行开发。这需要实现人机合一的境界。例如，我们正在研发的一款机械臂，在运动阻力方面表现出“透明”的特性，兼具刚柔之韵。在很小的力量下，甚至可以用羽毛推动。它在安全性、可靠性和灵巧性方面表现出卓越的性能。

那么，如何实现人机合一呢？机器如何与人有效地协作？一个智慧的人，更多的是观察和理解他人的言行，而不是一味地自我表达或独断独行。我们可以借鉴William Grey Walter医生在1960年的实验，他通过将电极植入大脑皮层，尝试通过思维运动进行控制。虽然这种方法对于正常的人机交互来说并不现实，但我们可以通过大脑功能影像、EEG、MEG和fNIRS等技术来探索人机互动的新途径。

想象一下这样的场景：医生在进行复杂的手术时，其大脑皮层活动被机器人监控。当医生感到挑战或紧张，大脑前额皮层活动增多时，机器人可以提供更多的辅助，帮助医生减慢动作，进行提示和帮助。反之，如果手术进展顺利，机器人则不必介入。这些仍然只是基础研究的一部分，真正将其应用于手术室的人机交互还需要更多的探索和努力。人与机器人的结合，缔造出令人瞩目的新境界。通过实验室的EEG技术，我们实现了用纯粹的想象控制机器人的行走，真正实现了人机合一的完美结合。

在复杂的手术场景中，我们面临的挑战是如何深入理解外科医生的意图。能否通过观察，解读医生脑海中的想法和下一步的动作？这将是未来人机交互领域的重要研究方向。

为了实现这一目标，我们采用了一种切实可行的办法——眼动仪。它通过红外光打在眼球上，计算亮点和瞳孔之间的距离，准确测量你注视的方向和重点。现在，眼动仪已经可以与计算机屏幕或手机结合，在临床测试中得到广泛应用。

接下来，让我们进行一个有趣的实验。在这张图片中，有许多方块，每个方块都有两种颜色。只有一个是黄绿相间的。你能找到它吗？

（实验进行了三次，每次图片的方块数量都比前一次多）

在实验过程中，我问你们，你们是如何寻找的？用了什么策略？为什么第二次比第一次做得好？答案是，经验越多，做得越快。但在搜索过程中，你们使用了什么策略？是潜意识还是故意为之？让我们看看我的博士生是如何找的。他在找第二个和第一个的时候，看似方法不同，但其实搜索策略并没有改变。

这就是并行检索。人在100毫秒内眼睛的运动和搜索方式已经决定了搜索效率。眼睛不动，全局概念先行，然后逐点扫描。每个点需要停留大约100毫秒才能识别细节。

对于手术中的应用，考虑AESOP系统，它目前依赖语音控制内窥镜，但在嘈杂的手术室环境下并不理想。如果我们利用你的视觉信息，内窥镜的移动可以完全自动化，随你的意愿控制。因为我们知道你想看哪里，下一步怎么走。

我们的机器人演示系统就体现了这一理念。其中配备了眼动仪，实时测量医生的眼动。面对不同的医生，机械臂会有不同的反应，仿佛能读懂你的意图，知道如何帮助你，提供最佳的视野。这种深度的人机交互，为手术带来了前所未有的便捷和精准。当我第一次接触这套手术机器人系统时，内心的惊奇无以言表。它仿佛从一个全新的维度赋予了机器人生命与活力，让我看到了未来机器人技术发展的无限可能。今天，让我们一起走进手术机器人的前沿领域，探寻它未来的发展方向。

在现代手术机器人的世界中，仍然存在许多需要改进的地方。它们看起来似乎还显得有些笨重，尚未实现完全的智能化。那么，如何让手术机器人变得更智能呢？答案就在于我们正在研发的一套小型的、灵活的手术系统。这套系统的超柔臂能够执行复杂的手术操作，无论是单孔还是多孔、经自然腔道，都能应对自如。由于自然腔道非常狭窄，进行精细的手术操作是一大挑战。为了解决这个问题，我们研发了蛇形手术机器人，它们能够通过柔性、蛇形的设计进入患者体内，内窥镜柔软且完全可控。

许多疾病源于自然腔道，因此早期治疗显得尤为重要。蛇形机器人不仅能够在手术中发挥作用，还能通过共聚焦成像技术进行光活检。未来的医学将更加注重早期诊断和精准手术。通过手术机器人与影像技术的结合，我们能够实时检测肿瘤边界，确保手术的精准性。未来的手术室里，我们将看到的是灵巧、无处不在的机器人手术器械，而不是笨重的大型设备。

当我们回顾过去的25年，手术机器人的发展已经从新兴事物走向了实际应用。未来的25年，手术机器人的发展方向将是智能化、精密化和传感影像的结合。智能化不仅仅是引入人工智能那么简单，还需要借助深度学习来解决人工智能无法解决的问题。由于每个人的病症和体内环境都不尽相同，深度学习需要更加精细的训练和机器学习。真正的智能在于人和机器的有机结合，互相理解，智能连接。在机械方面，我们需要将机械臂做得更小、更精密、刚柔并具。将传感影像结合起来也是未来的一个重要方向，包括力反馈和显微实时影像等。

如果以上几点能够做好并精益求精，那么未来25年，手术机器人在临床上的应用将会越来越广泛。它将解决一些当前无法解决的问题，助力临床发展精准医学。精准手术的先行一步需要手术机器人、影像、传感、人工智能和计算机视觉的全面发展。这需要大家共同努力研究、应用、产业化和临床推广协作努力。这是一个充满机遇和挑战的未来领域，让我们携手共创更美好的医疗未来！