在医学科技日新月异的今天，人工智能（AI）与机器人技术的结合正在以前所未有的速度重塑医疗行业。近期，约翰·霍普金斯大学的研究人员成功地将类ChatGPT的AI技术应用于达芬奇手术机器人，使其能够自主执行胆囊切除手术，这一突破性进展无疑为未来的医疗模式开启了新的篇章。
手术机器人的演进之路
早在上世纪90年代末，直觉外科公司（Intuitive Surgical）就推出了达芬奇手术机器人，这款设备凭借其卓越的远程操控性能，迅速成为业界的标杆。经验丰富的外科医生可以通过操控机械臂和手术工具，远程为患者进行手术，极大地拓展了医疗服务的范围。然而，早期的手术机器人主要依赖于预编程的动作，缺乏自主性和灵活性。
吉雄金（Ji Woong Kim）等机器人研究人员指出，最初的手术机器人就像工厂里的库卡机械臂，只能按照预设的程序进行操作。为了突破这一局限，阿克塞尔·克里格（Axel Krieger）带领的团队开发了智能组织自主机器人（STAR）。2022年，STAR成功地在一只活猪身上完成了手术。尽管如此，STAR仍然需要依赖特殊标记的组织和预定的手术计划。其关键的创新之处在于，STAR的AI系统能够根据摄像头反馈的信息，对计划进行调整，从而提高了手术的精确性和安全性。
与STAR相比，新型AI手术机器人具有更强的灵活性和适应性。金表示，这项研究的核心在于AI能够从演示中学习。这种新型系统被称为SRT-H（手术机器人转换器），由金及其同事克里格共同开发。
SRT-H：AI手术机器人的新突破
SRT-H系统的开发主要集中在硬件和软件两个方面。在硬件方面，研究团队选择了达芬奇机器人作为基础平台。在软件方面，SRT-H采用了与ChatGPT相同的Transformer模型架构。该系统包含两个模块：高级策略模块和低级执行模块。高级策略模块负责任务规划，确保手术过程顺利进行；低级执行模块则负责将高级模块的指令转化为机械臂的具体运动轨迹。
为了训练SRT-H系统，研究团队采用了类似于培养新手医生的方法，让机器人通过模仿学习掌握手术技巧。
模仿学习：SRT-H的训练过程
研究团队选择胆囊切除术作为SRT-H的学习目标。胆囊切除术是一种常见的常规手术，在美国每年大约进行70万次。金解释说，手术的关键在于安全切断连接胆囊与其他器官的管道，防止体液外流。具体操作包括在胆囊管上放置三个夹子并切断，然后以类似的方式夹住并切断胆囊动脉。
为了构建SRT-H的训练数据集，研究团队将胆囊切除术分解为17个步骤，并从猪的尸体上获取大量的胆囊和肝脏样本进行实验。经过训练的研究助理不断地操作达芬奇机器人，重复执行手术，最终为机器人积累了17个小时的手术视频、机械臂运动数据以及自然语言注释。
通过对这些数据的学习，SRT-H能够在未经训练的样本上实现100%的手术成功率。更令人印象深刻的是，SRT-H还可以接受人类的自然语言反馈，例如“将手臂向左移动一点”或“将夹子放高一点”。这些提示类似于外科医生对手术学生的指导，SRT-H可以通过学习不断改进其手术技能。
金表示，这种训练方法可以应用于任何类型的手术，使机器人能够掌握各种复杂的手术技能。SRT-H还表现出对样本之间解剖结构差异、组织干扰和图像质量不佳的强大适应能力。即使在训练过程中出现微小错误，SRT-H也能够自我纠正。与经验丰富的外科医生相比，SRT-H的手术精度相当，但速度稍慢。
数据之争：SRT-H面临的挑战
尽管SRT-H在实验中取得了显著成果，但要将其应用于活体动物甚至人类，还需要大量的训练数据。然而，获取这些数据并非易事。直觉外科公司虽然愿意分享达芬奇机器人的视频数据，但对机械臂运动数据的共享却持保留态度。金认为，这些运动数据对于训练算法至关重要。
金表示，直觉外科公司的高层领导担心开放运动数据会导致竞争对手逆向工程其机器人。但他认为，这种担忧有些过时，因为他们没有意识到AI的巨大潜力。尽管直觉外科公司的工程师和科学家都希望开放数据，但公司的法务部门却非常保守。
为了解决数据获取问题，金提出了一种新的思路：通过在手动手术工具上安装运动跟踪传感器，获取运动数据。然后，通过传统的机械臂复制这些由外科医生操作的工具的运动轨迹。此外，金还在斯坦福大学参与了一个人形机器人项目，旨在构建一种通用模型，并将其应用于手术室。
AI手术机器人的未来展望
AI驱动的手术机器人代表了医学领域的一个重要发展方向。随着技术的不断进步和数据的积累，未来的手术机器人将具备更高的自主性和智能化水平，能够执行更复杂的手术，提高手术的精确性和安全性，并降低手术的风险和成本。此外，AI手术机器人还可以远程进行手术，使优质医疗资源能够覆盖到更广泛的地区，从而改善医疗服务的公平性和可及性。
伦理与监管：AI手术机器人的发展需要审慎对待
尽管AI手术机器人具有巨大的潜力，但也引发了一系列伦理和监管问题。例如，谁应该为AI手术机器人的决策负责？如何确保AI手术机器人的安全性和可靠性？如何保护患者的隐私？这些问题需要我们认真思考和解决。
政府、医疗机构、研究人员和企业需要共同努力，制定合理的伦理规范和监管框架，确保AI手术机器人的发展符合伦理原则，保障患者的权益，并促进医疗行业的健康发展。
数据安全与隐私保护
AI手术机器人的训练和应用需要大量的数据，包括患者的医疗记录、手术视频和机械臂运动数据。这些数据可能包含敏感的个人信息，因此必须采取严格的安全措施，防止数据泄露和滥用。
医疗机构和研究人员需要建立完善的数据安全管理制度，对数据进行加密、脱敏和访问控制，确保数据的安全性。同时，还需要加强对患者隐私的保护，尊重患者的知情权和选择权。
人机协作：构建未来医疗的新模式
AI手术机器人并不是要取代外科医生，而是要与外科医生进行协作，共同完成手术。在未来，外科医生将更多地扮演监督者和决策者的角色，而AI手术机器人则负责执行具体的手术操作。
这种人机协作的模式可以充分发挥人类和机器的优势，提高手术的效率和质量。外科医生可以利用自己的经验和判断力，对复杂情况进行处理；而AI手术机器人则可以凭借其精确性和稳定性，完成重复性的操作。
结论
AI驱动的手术机器人是医学领域的一项革命性技术，它将深刻地改变未来的医疗模式。随着技术的不断进步和数据的积累，AI手术机器人将变得更加智能、安全和可靠，为患者提供更好的医疗服务。然而，我们也需要认真对待AI手术机器人带来的伦理和监管问题，确保其发展符合伦理原则，保障患者的权益，并促进医疗行业的健康发展。
