2012年的科幻电影《普罗米修斯》中，出现过一个能自动给人做手术的医疗仓。机器人手术这一概念，现如今也在逐渐成为现实，像达芬奇手术机器人，就已经进入了各大医院，开始给人们做手术。
不过达芬奇机器人也是要在医生的操作下才能工作，离真正地自主完成手术还差了不少。
近日，波士顿儿童医院的G. Fagogenis和P. E. Dupont等开发的一款机器人，成功实现了心脏内的自动导航，从心尖一路找到主动脉瓣上的病变位置，再由医生进行修补。相关研究发表在Science Robotics上[1]。
电影《普罗米修斯》中的机器人手术
心脏病是当今世界的一大健康威胁。像什么冠心病、心脏瓣膜病等的治疗中，除了使用药物控制病情，通过手术打开堵塞的血管、修复或更换受损的瓣膜，也是很重要的一部分。相比需要打开胸骨暴露心脏的开胸手术，经血管或心尖进入心脏的微创导管手术，在术后恢复等方面具有很大的优势[2]。
但心脏微创手术做起来也不容易。手术在不透明的血液中进行，医生只能穿上铅衣通过x光观察。且不说辐射对医生和患者的伤害，单就那一身防护用的铅衣，奇点糕是穿上十几分钟就腰酸背痛了。
如果这些操作都能自动完成就好了！不过手术操作比较复杂，让机器人自动去完成可能比较难，但哪怕能让导管自动找到病变位置也行啊。对此，Fagogenis和Dupont等展开了研究。
Dupont（左二）的研究团队（来自波士顿儿童医院）
研究人员遇到的第一个问题就是血液中的能见度，以往那种基于图像识别的机器人[3]，在心血管里肯定是两眼一抹黑。既然看不见，导管在血液中只能摸黑前进，要不就让它摸着走吧。
为此，研究人员开发了一种被称为“触觉视觉”的传感模式，可以对导管末端所接触的物体成像（视觉部分），并结合导管末端的受力情况（触觉部分），分析它所接触到的是血液、组织还是瓣膜，并以此导航，寻找病变部位。同时，机器人也可以接受医生的遥控操作。
有了这套心内导航系统，研究人员在主动脉瓣瓣旁泄露的猪心模型上，测试了它从心尖进入寻找病灶的能力。瓣旁泄露是瓣膜置换术的一种并发症，可由植入的瓣膜缝合不良、感染、钙化等因素引起。常规的经导管瓣旁泄露封堵目前大约需要29.9±24.5分钟的x线透视照射[4]。
研究人员先通过术前检查，确定了泄露的位置 ，然后让导管末端先找到心室壁，再沿着心室壁到达主动脉瓣，最后沿着瓣膜环找到泄露的位置。而为了便于机器人定位，研究人员还在之前植入猪心中的带有3个泄露位置的瓣膜上缝上了彩色线条。
植入的瓣膜上用于定位的彩色线条
在从心尖经心室壁到达主动脉瓣的这一段过程上，5头猪上总共90次的试验中，自动导航成功完成了89次，成功率接近99%！速度上，自动导航也比医生操控下的遥控导航快，但不如传统的手动操作。
不过在动脉瓣周寻找泄露点这一步，或许是有颗心脏里的路不太好找，自动导航的成功率就不是很高了，在3头猪上进行的共65次试验中，只成功了43次，成功率只有66%，速度也不如遥控操作和手动操作。
接下来，研究人员对从心尖到病灶的完整过程进行了测试。在5头猪上进行的83次试验中，有79次（95%）成功到达了病灶，平均用时39±17s，与遥控操作（34±29s）和手动操作（31±27）接近。
在导航的准确性上，自动导航与人工操作也相差无几。在两头猪上进行的38次试验中，自动导航后导管末端与病灶中心位置的平均距离为2.9±1.5mm，而人工操作下则为3.0±2.0mm。
论文作者Dupont表示：“这一自主机器人可以帮助外科医生进行复杂的手术，减少疲劳。让外科医生能够专注于最困难的操作，从而提高手术效果。”
接下来，Dupont的研究团队将尝试在经血管的介入治疗中使用这一系统，未来还将继续尝试将其用于经气管、胃肠道和脑室的微创手术，让更多的医生可以专注于手术中最难的部分。
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参考文献：
1. FAGOGENIS G, MENCATTELLI M, MACHAIDZE Z, et al. Autonomous robotic intracardiac catheter navigation using haptic vision[J]. Science Robotics, 2019, 4(29): eaaw1977.
2. Cooper M A, Hutfless S, Segev D L, et al. Hospital level under-utilization of minimally invasive surgery in the United States: retrospective review[J]. BMJ, 2014, 349: g4198.
3. Shademan A, Decker R S, Opfermann J D, et al. Supervised autonomous robotic soft tissue surgery[J]. Science translational medicine, 2016, 8(337): 337ra64-337ra64.
4. Eleid M F, Cabalka A K, Malouf J F, et al. Techniques and outcomes for the treatment of paravalvular leak[J]. Circulation: Cardiovascular Interventions, 2015, 8(8): e001945.
本文作者 | 孔劭凡
摸着走
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