提到手術(shù)機(jī)器人，相信大家都在腦海里都會(huì)形成一個(gè)場(chǎng)景，是一個(gè)自動(dòng)的機(jī)器人能夠完全取代醫(yī)生來做一些手術(shù)的操作，這是我們未來追求的目標(biāo)，現(xiàn)實(shí)情況是我們目前在做的機(jī)器人有各種各樣，還遠(yuǎn)沒有達(dá)到那樣的一個(gè)場(chǎng)景，但我們依然在朝著那個(gè)方向去努力。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界大概有至少一百種以上的手術(shù)機(jī)器人，用在各個(gè)學(xué)科、各種形態(tài)，比如說有機(jī)械臂式的、多個(gè)機(jī)械臂式的、蛇形的各種各樣的機(jī)器人。所以實(shí)際上對(duì)于手術(shù)機(jī)器人這個(gè)領(lǐng)域來說，目前是一個(gè)百花齊放的這樣的時(shí)代。

遵循醫(yī)生操作的主從型手術(shù)機(jī)器人

對(duì)于手術(shù)機(jī)器人，總的來說可以分成兩大類。第一大類從 2000 年開始，在美國(guó)就已經(jīng)有很多商業(yè)化的產(chǎn)品。最主流的、目前在全世界應(yīng)用最廣泛的，叫做主從型手術(shù)機(jī)器人。

圖 | 主從型手術(shù)機(jī)器人

什么叫主從型手術(shù)機(jī)器人呢？它其實(shí)是遵循醫(yī)生的遙操作來進(jìn)行手術(shù)的一類機(jī)器人。醫(yī)生手腳并用在控制臺(tái)完成操作，機(jī)器人會(huì)擺在手術(shù)床旁，由機(jī)器人的三四個(gè)甚至最多有五個(gè)機(jī)械臂，來完成對(duì)醫(yī)生的整個(gè)手術(shù)的跟蹤。那么當(dāng)醫(yī)生進(jìn)行所有的操作的時(shí)候，機(jī)器人在病人的體內(nèi)完成相應(yīng)的操作，所以我們把它稱之為主從型的手術(shù)機(jī)器人。

這一類的機(jī)器人目前在腹腔手術(shù)、胸腔手術(shù)中得到了大量應(yīng)用。但是我們今天所討論的神經(jīng)外科這個(gè)領(lǐng)域，這類機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景是比較小的，其中的原因就在于這種跟蹤醫(yī)生手術(shù)操作的機(jī)器人必須在一個(gè)有很好的手術(shù)空間的范圍內(nèi)，所以比如說在腹腔的腔道中，或者是在胸腔的腔體中，機(jī)器人可以有自由的空間去活動(dòng)。

但是在神經(jīng)外科這個(gè)領(lǐng)域，也就是我們說的腦手術(shù)這個(gè)領(lǐng)域，因?yàn)槟X組織是一個(gè)實(shí)體，所以這種類型的機(jī)器人實(shí)際上是沒有辦法進(jìn)行一個(gè)很好的操作的，那么就引出來了我們今天要討論的第二大類的手術(shù)機(jī)器人，是叫做定位型的手術(shù)機(jī)器人。

圖 | 導(dǎo)航型定位手術(shù)機(jī)器人

手術(shù)機(jī)器人幫助醫(yī)生定位，解決神經(jīng)外科手術(shù)大難題！

定位型手術(shù)機(jī)器人是怎么樣解決神經(jīng)外科中的問題的呢？我們先看一下神經(jīng)外科的手術(shù)的需求。

在神經(jīng)外科中，有一大類叫微創(chuàng)的立體定向手術(shù)，是希望能夠把臨床以前開顱進(jìn)行的一些手術(shù)微創(chuàng)化。那么當(dāng)微創(chuàng)的時(shí)候，對(duì)醫(yī)生最大的挑戰(zhàn)是什么呢？實(shí)際上也非常的明確，對(duì)于臨床來講，醫(yī)生在看不到的情況下必須進(jìn)行打孔、插入引導(dǎo)裝置，最后插入它相應(yīng)的電極、活檢針或者是引流裝置等等這類的問題。

在這樣的一類需求下，對(duì)于醫(yī)生來講，我從哪個(gè)方向、從哪個(gè)位置來插進(jìn)去是最需要的。那這樣的一個(gè)手術(shù)術(shù)式對(duì)于臨床來講，就需要有一個(gè)自動(dòng)的工具，或者是手動(dòng)的工具來幫助醫(yī)生完成定位，這就是神經(jīng)外科叫立體定向手術(shù)的一大類的需求。

這個(gè)需求非常的廣泛，它可以用在癲癇、帕金森、腦腫瘤、腦出血等等領(lǐng)域。比如癲癇手術(shù)，它甚至不只要插一根，還有可能要插多根電極到人的腦組織里面去。那怎樣有一個(gè)更好用的工具來幫助醫(yī)生，就是一個(gè)很重要的問題。

以癲癇為例，在中國(guó)癲癇大概有一千萬的患者，其中 30% 也就是約 300 萬的患者是藥物難以控制的，這些患者里面很多是兒童，那么這些患者里面又有接近一半的患者是適合手術(shù)治療的。可是實(shí)際的手術(shù)治療每年只有一萬例，那么這 1 萬對(duì) 150 萬的這樣大的比例差是怎么造成的呢？

其中很重要的一個(gè)原因就在于我們并沒有一個(gè)很合適的、很方便的手段來幫助臨床進(jìn)行這種微創(chuàng)的手術(shù)，那么現(xiàn)在是采用什么樣的方式呢？因?yàn)閯偛乓仓v了，對(duì)于這一類的手術(shù)里面最重要的是有一個(gè)幫助醫(yī)生進(jìn)行定位的工具。

給骨頭釘顱釘？傳統(tǒng)定位方式給病人帶來巨大痛苦！

我們現(xiàn)在做的這件事情，實(shí)際上通過傳統(tǒng)的方式也是可以實(shí)現(xiàn)的，但是實(shí)現(xiàn)的難度會(huì)遠(yuǎn)比機(jī)器人要高，現(xiàn)在是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

首先，病人在手術(shù)的當(dāng)天早上，必須要在他的頭上卡一個(gè)立體定向頭架，這個(gè)頭架是一個(gè)純被動(dòng)的機(jī)械裝置，是需要在病人清醒的狀態(tài)下直接釘?shù)斤B骨上，保證跟病人的頭完全不動(dòng)。在人的清醒的狀態(tài)下，在前額和后腦勺釘四顆顱釘，直接釘?shù)焦穷^上是一種怎樣的痛苦？

雖然我們可以在局部打一些麻藥，但是當(dāng)你擰顱骨釘?shù)臅r(shí)候?qū)φ麄€(gè)頭皮的牽連也會(huì)造成巨大的痛苦。在實(shí)際手術(shù)時(shí)，病人躺到手術(shù)床前帶著這樣的一個(gè)框架，在上面上一個(gè)坐標(biāo)弓，然后通過這樣的一個(gè)坐標(biāo)弓純機(jī)械的方式，幫助醫(yī)生完成定位，這就是整個(gè)的手術(shù)的方式。

從我剛才對(duì)手術(shù)方式的描述來看，這樣的一個(gè)定位的框架對(duì)患者來說有很大的問題，第一個(gè)問題是患者需要在清醒的狀態(tài)下帶這個(gè)架子，對(duì)于病人特別是兒童患者非常地痛苦。

我以前跟過很多這樣的臨床手術(shù)，在手術(shù)的時(shí)候給兒童釘頭架對(duì)于兒童來說非常痛苦，特別是在我有了小孩之后，這種場(chǎng)景我完全是無法去看的。所以從這樣的角度來講，這種清醒時(shí)佩戴頭架，對(duì)于兒童會(huì)有巨大的創(chuàng)傷。

同時(shí)它有很多其他的問題，比如說消耗的時(shí)間長(zhǎng)，需要幾個(gè)醫(yī)生反復(fù)地去對(duì)刻度尺，同時(shí)存在一些植入的死角，對(duì)于一些臨床的術(shù)式是不適合的。那我們用什么樣的方式可以去解決傳統(tǒng)手術(shù)上的一些局限性呢？

我們希望下一代的產(chǎn)品應(yīng)該痛苦小，沒有死角，應(yīng)該是個(gè)自動(dòng)化的裝置。由此我們研發(fā)了，我們新一代的神經(jīng)外科的定位裝置，也就是我們剛才提到的手術(shù)機(jī)器人。

手術(shù)機(jī)器人的”眼”、”手”、”腦”是如何協(xié)作的？

機(jī)器人由三個(gè)部分組成。第一部分，當(dāng)然它要有一個(gè)手，也就是機(jī)械臂。第二部分，它要有一個(gè)眼睛，眼睛幫助機(jī)器人來定位病人的位置。第三部分，也是最核心的，它要有一個(gè)大腦，大腦幫助機(jī)器人自動(dòng)地判斷，它應(yīng)該去什么樣的位置，不應(yīng)該撞到什么樣的東西。這是組成整個(gè)機(jī)器人的三個(gè)部分。

那么從這三個(gè)組成部分，就可以總結(jié)出我們機(jī)器人在實(shí)際手術(shù)中的流程。第一步，要通過計(jì)算機(jī)的大腦來實(shí)現(xiàn)手術(shù)路徑的規(guī)劃，也就是醫(yī)生要基于術(shù)前的磁共振的影像、CT 的影像把它配準(zhǔn)融合到一起，在術(shù)前就可以知道病人的腦子里面是什么樣的一個(gè)情況，要基于什么樣的一個(gè)通道，完成對(duì)病人的相應(yīng)路徑的穿刺定位。

第二步，當(dāng)醫(yī)生在術(shù)前的計(jì)劃中把這個(gè)位置設(shè)計(jì)好之后，把機(jī)器人推到了病人的手術(shù)床前，機(jī)器人通過自己的眼睛，也就是我們現(xiàn)在采用的無接觸式的激光定位，來完成對(duì)病人頭部的定位。

當(dāng)知道了病人的頭實(shí)際在什么位置，第三步對(duì)機(jī)器人來說就很簡(jiǎn)單了，它可以自動(dòng)地執(zhí)行醫(yī)生術(shù)前在磁共振或者是 CT 的影像上面規(guī)劃的路徑完成定位，醫(yī)生在這個(gè)定位的位置上進(jìn)行后期的手術(shù)操作。這就是整個(gè)機(jī)器人實(shí)際的操作流程。

那么我們逐步地來分析，機(jī)器人具體是怎么樣操作的。從第一個(gè)手術(shù)計(jì)劃的層面上，醫(yī)生最關(guān)注的問題是規(guī)劃一個(gè)怎樣的路徑，或者是多根路徑，能夠準(zhǔn)確地達(dá)到我想要的位置。與此同時(shí)，最重要的是要避開顱內(nèi)的重要血管，避免顱內(nèi)出血。

機(jī)器人在這里做什么工作呢？它能夠通過術(shù)前的磁共振或者 CT 的二維斷層的片子實(shí)時(shí)地做出三維的重建，讓醫(yī)生直觀地看到在病人的腦組織里面腦溝回長(zhǎng)的是什么樣子的，血管是長(zhǎng)的什么樣子的，可以直觀地在三維的影像上面對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃，這樣就可以看應(yīng)該怎樣避開顱內(nèi)的血管。

所以這張圖就可以看出，我們能夠通過磁共振的影像，重建出三維模型的病人腦組織和血管，跟真實(shí)的實(shí)際病人開顱的照片做了一個(gè)對(duì)比，它的真實(shí)性非常的好，這一點(diǎn)對(duì)臨床來說非常重要，因?yàn)榕R床要基于醫(yī)生術(shù)前重建的影像進(jìn)行路徑規(guī)劃，這個(gè)影像重建的真實(shí)與否，對(duì)于最終如何規(guī)避血管、避免顱內(nèi)出血有重要的意義。

從這個(gè)角度來講，我們的計(jì)劃軟件可以做到：第一，不受國(guó)外昂貴的軟件采購(gòu)的限制；第二，我們能夠真正地把原來手術(shù)的出血的概率降低一半以上；第三，我們可以通過這樣的一個(gè)規(guī)劃軟件，大幅度縮短醫(yī)生傳統(tǒng)規(guī)劃的手術(shù)時(shí)間。我們的軟件已經(jīng)在全國(guó)大量的醫(yī)院被使用，目前在全國(guó)已經(jīng)有超過 5000 臺(tái)的手術(shù)進(jìn)行日常的使用。

當(dāng)醫(yī)生完成了術(shù)前的規(guī)劃之后，第二步就是當(dāng)機(jī)器人推到手術(shù)的床前時(shí)，手術(shù)機(jī)器人需要知道病人的頭到底在什么位置，它才能準(zhǔn)確地到達(dá)位置。那么它是怎么樣知道的呢？

大家如果玩過 Kinect 游戲的話，實(shí)際上可以理解為是在機(jī)器人的前端裝了一個(gè)超高精度的 Kinect，我們通過這樣一個(gè)有深度信息的攝像頭，或者是定位裝置能夠直接捕捉病人頭的位置，拿到病人頭的實(shí)際的位置和術(shù)前的影像上的位置這樣的一個(gè)關(guān)系。

第三步機(jī)器人會(huì)自動(dòng)地執(zhí)行到預(yù)定的手術(shù)位置，醫(yī)生就在機(jī)器人引導(dǎo)的這個(gè)位置上進(jìn)行穿刺、打孔和植入的操作。圖中也可以看出通過我們的機(jī)器人能夠達(dá)到一個(gè)非常精準(zhǔn)的定位精度，這對(duì)于臨床是非常有效的。

那么從術(shù)后的這兩幅影像上也可以看出來，彩色的部分是術(shù)前規(guī)劃的路徑，白色的是術(shù)后通過CT 重建出來的實(shí)際的植入位置，可以看出術(shù)后的植入位置跟術(shù)前的彩色的路徑是高度的一致的，這個(gè)對(duì)于臨床來說就解決了高精度的問題。

同時(shí)由于機(jī)器人有很好的定位方法，就完全不需要在病人術(shù)前再釘定向頭架了，所以病人在術(shù)前是完全沒有痛苦的。而且機(jī)器人由于它六個(gè)自由度的特點(diǎn)，它可以完全無死角地到達(dá)病人頭附近的任何位置，同時(shí)能夠保持很高的效率。

所以當(dāng)機(jī)器人能夠得到大量的臨床應(yīng)用的時(shí)候，它就可以使整個(gè)的手術(shù)時(shí)間下降 60% 以上。那么未來在全國(guó)能夠開展癲癇外科的醫(yī)院數(shù)量就會(huì)大大的提高，因?yàn)槭中g(shù)整個(gè)的復(fù)雜度得到了大大的降低，同時(shí)能夠匯集的患者數(shù)量也會(huì)成倍的增加，這是我們機(jī)器人目前在臨床上一個(gè)非常重要的意義。

神經(jīng)外科已經(jīng)走向了機(jī)器人微創(chuàng)的時(shí)代，它對(duì)于臨床的意義非常的重要，神經(jīng)外科的發(fā)展方興未艾，未來在癲癇、帕金森、甚至老年癡呆等等領(lǐng)域還有廣闊的空間需要去努力，其中定位的工具和微創(chuàng)的治療方式也需要不斷地革新和創(chuàng)新，這是我們一直以來努力的目標(biāo)。

從我們大量接觸臨床病人、接觸神經(jīng)外科的十幾年時(shí)間來看，我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)定地希望，在這個(gè)領(lǐng)域能夠降低醫(yī)生的操作門檻、減少病人的手術(shù)痛苦，希望能夠開發(fā)出未來智能、高效、精準(zhǔn)的手術(shù)機(jī)器人，這將會(huì)極大地降低患者的痛苦、提高手術(shù)的成功率、降低手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。