在医学领域，人工智能（AI）的应用正以前所未有的速度改变着医疗实践。近期，约翰·霍普金斯大学的研究人员进行了一项实验性手术，他们利用类似于ChatGPT的人工智能技术，成功控制达芬奇手术机器人完成了猪器官上的胆囊切除手术。这一突破性的进展预示着未来外科手术可能不再完全依赖人类外科医生。本文将深入探讨这项技术的原理、优势、面临的挑战以及未来的发展方向。
AI驱动手术机器人的崛起
早在20世纪90年代末，Intuitive Surgical公司推出了达芬奇手术机器人，这是一种具有划时代意义的远程操作系统。资深外科医生可以通过操纵机械臂和手术工具，依据达芬奇内置摄像头和内窥镜提供的视频反馈，对患者进行远程手术。然而，最新的研究更进一步，约翰·霍普金斯大学的研究人员将类ChatGPT的人工智能技术应用于达芬奇机器人，使其能够自主完成胆囊切除手术。
这种想法并非首次出现。早期的尝试主要依赖于预先编程的动作。机器人专家金智雄（Ji Woong Kim）指出，之前的系统就像工厂里焊接汽车的库卡机器人手臂，程序精确地告诉机器人如何移动和做什么。为了实现更高级的自主性，约翰·霍普金斯大学机械工程助理教授阿克塞尔·克里格（Axel Krieger）领导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。
STAR的关键创新在于其人工智能可以基于摄像头反馈对预定计划进行调整。然而，即使是STAR也需要特别标记的组织和预先确定的计划才能完成手术。而最新的机器人系统则更加灵活。金智雄表示，目前的研究成果更具适应性，人工智能可以通过演示学习。这个名为SRT-H（Surgical Robot Transformer）的新系统由金智雄及其同事开发，克里格也参与其中。
SRT-H：从模仿学习到自主操作
研究团队首先对硬件进行了改进。他们没有像STAR那样使用定制机器人，而是选择了达芬奇机器人。达芬奇机器人已成为远程手术领域的行业标准，全球医院已部署超过10,000台。第二个关键改变是驱动系统的软件。SRT-H依赖于两个Transformer模型，与ChatGPT的架构相同。其中，高级策略模块负责任务规划，确保手术顺利进行；低级模块则负责执行高级模块发出的指令，将其转化为机械臂的具体运动轨迹。
为了训练SRT-H，研究团队采用了一种类似于指导新手医生的方法。机器人需要掌握的手术是胆囊切除术，这是美国医院每年都要进行约70万次的常规手术。金智雄解释说，手术的目标是切除连接胆囊与其他器官的管道，同时避免内部液体泄漏。为了实现这一目标，外科医生需要先在胆囊管（第一根管道）上放置三个夹子，然后切断它，再以类似的方式夹住并切断胆囊动脉（第二根管道）。
研究团队将这个过程分解为17个步骤，从猪尸体上获取了大量的猪胆囊和肝脏样本进行实验，并让训练有素的研究助理操作达芬奇机器人，反复执行该手术，从而为机器人构建训练数据集。
驱动SRT-H的算法接受了超过17小时的视频训练，这些视频来自达芬奇内窥镜及其机械臂上安装的摄像头。除了视频反馈外，训练数据还包括运动学数据（机械臂的确切运动）和自然语言注释。
基于这些数据，金智雄的机器人学会在未经训练的样本上进行胆囊切除术，成功率达到100%。它还可以接受自然语言的人工反馈，例如“稍微向左移动你的手臂”或“把夹子放高一点”。这些都是外科医生指导学生时会给出的提示，SRT-H也可以通过类似的方式不断学习。
金智雄表示，研究团队可以使用同样的方法训练机器人进行任何类型的手术，而不仅仅是胆囊切除术。SRT-H对样本之间的解剖差异、其他组织的干扰以及不完美的图像也具有鲁棒性。它甚至可以从训练过程中所犯的微小错误中恢复。与执行相同手术的专家级人类外科医生相比，机器人的精确度相当，但速度稍慢。
数据壁垒与未来展望
要从猪尸体样本上的操作过渡到活猪，最终应用于人类，像SRT-H这样的机器人需要极难获取的训练数据。Intuitive Surgical公司似乎愿意发布达芬奇机器人的视频反馈数据，但他们并不公开运动学数据。金智雄认为，运动学数据对于训练算法至关重要。金智雄说：“我认识Intuitive Surgical总部的员工，我和他们一直在沟通，我一直在恳求他们提供数据，但他们没有同意。”
Intuitive Surgical领导层给出的解释是，他们担心竞争对手会逆向工程他们的机器人力学。金智雄认为，这是高层管理人员对人工智能的认识不足，他们没有意识到这些技术的潜力。公司的工程师和科学家都希望开源这些数据，但法务部门非常保守。
不过，金智雄已经找到了解决这个问题的方法。他表示，可以先将运动追踪传感器安装到手动手术工具上，以此获取运动学数据。然后，由专家级人类外科医生指导的这些工具的运动可以被STAR等传统机械臂再现。
金智雄甚至设想了更科幻的未来。他说：“我目前在斯坦福大学，我参与了一个人形机器人项目，旨在构建一个通用模型。其中一个可能的应用就是在手术室里。”
结论与展望
人工智能在手术机器人领域的应用，无疑为医疗行业带来了革命性的变革。SRT-H的成功案例表明，AI驱动的机器人不仅可以模仿人类外科医生的操作，还能在一定程度上超越人类的局限。尽管目前仍面临数据获取的挑战，但随着技术的不断进步和相关法规的逐步完善，我们有理由相信，在不久的将来，AI将会在手术室中扮演越来越重要的角色，为患者带来更精准、更安全、更高效的医疗服务。而这一切，都将深刻改变我们对医疗的认知和期待。
这项研究发表在《科学机器人》杂志上，DOI：10.1126/scirobotics.adt5254
