全軍肝膽外科研究所劉榮：智能外科時代，手術機器人將由 AI 進行驅動 | CCF-GAIR 2019

編者按：7月12日-7月14日，2019第四屆全球人工智能與機器人峰會（CCF-GAIR 2019）于深圳正式召開。峰會由中國計算機學會（CCF）主辦，雷鋒網、香港中文大學（深圳）承辦，深圳市人工智能與機器人研究院協辦，得到了深圳市政府的大力指導，是國內人工智能和機器人學術界、工業界及投資界三大領域的頂級交流博覽盛會，旨在打造國內人工智能領域極具實力的跨界交流合作平臺。

7月13日，解放軍總醫院肝膽外二科主任、全軍肝膽外科研究所所長劉榮教授作了主題為《機器人在外科手術中的應用與展望》的演講。

劉榮在肝膽外科上有多年的從業經驗和深厚的技術積累，是目前全球完成機器人肝膽胰手術最多的外科醫生。

他認為，外科的發展史簡單分為四個時代：機械時代、電氣時代、信息時代和智能時代。而我們現在所處的智能外科時代，是通過人工智能賦能外科實踐，利用人工智能的和方法輔助和替代人類進行外科診療行為，其有兩個本質性特征：一是診療行為標準化，二是診療設計個體化。

雷鋒網了解到，從2011-2019年，解放軍總醫院肝膽外二科完成的達芬奇機器人肝膽手術數量超過3000例。從全國范圍來看，2011-2018年，該醫院完成了全國32%的肝膽胰機器人手術。

面對分布不均的醫療資源，劉榮教授希望通過從外科維度和手術機器人實現醫療標準化，減少對人力資源的依賴。“這是基本目標，也是我們的理想。”

在演講中，劉榮教授也對達芬奇手術機器人提出了自己的看法：“從現階段來看，我們用了達芬奇手術機器人，嚴格意義上它不是智能化的設備，它只是微創手術良好的執行終端。與此同時，它可以提供非常高質量的手術視頻數據，這是非常寶貴的財富。”

從學科角度而言，劉榮教授給出了一個公式：手術機器人+智能導航+自動化控制=智能外科，而未來智能外科將由人工智能驅動手術系統，進行手術操作，醫生起到的是監督作用。

以下為劉榮教授的現場演講內容，雷鋒網作了不改變原意的編輯及整理：   

劉榮：大家好！我是來自解放軍總醫院的劉榮。我跟大家匯報機器人在外科手術中應用的現狀和我們的展望。

最近中央電視臺熱播紀錄片《手術200年》，把200年中外科手術發展歷史中很多激動人心的時刻做了回顧。回顧這些歷史是為了讓我們更好的審視現在和展望未來。

大約在兩年前，我們也對歷史做了一次回顧，我們把外科的發展史簡單分為四個時代：機械時代、電氣時代、信息時代和智能時代。在演講開始之前，我想簡單介紹四個時代中主要技術成就。

機械時代從19世紀30年代開始。這時候有一個經典且殘酷的例子。當時有一個外科醫生做截肢手術，沒有麻醉和消毒方法。手術進行過程中要求速度非常快，醫生非常魯莽，過程中不僅切掉病人的腿，同時切掉助手的兩根手指。臺下觀眾看到這個情況嚇到心臟病發，他的助手術后死于感染，臺上的病人直接由于大出血死亡，這是死亡率300%手術。麻醉的出現讓手術平穩進行，消毒出現讓手術感染率下降。即便在這樣艱苦的條件下，外科醫生還是憑借著超人的勇氣，完成了首例膽囊切除手術和首例內鏡切除手術，X射線也是在這個時代出現的，它使得我們第一次有可能窺探人體內部的奧秘。

第二個時代是開始于上世紀20年代的電氣時代，其代表性的技術成就是電刀的出現，電刀通過熱燒灼取代傳統的鋒利刀刃機械切割，減少了出血，加快了手術的速度。另一個重要的事情是青霉素（盤尼西林）的發現，使得人類第一次擁有有效的武器控制外科感染，使得感染不再是高致死性的疾病。器官移植也是這個時代出現的。另外一件重要的事情是CT的出現，CT相對于X射線可以提供更清晰的圖像，我們對人體結構優有了更深入的了解。

上世紀80年代開始的信息時代，其代表技術是電視腹腔鏡。腹腔鏡主要用桿狀或者管狀的器械取代在肚子上開一個大口子，腹部的創傷性很小。其廣泛使用使得更多的病人可以在手術后短期內快速恢復。聯合器官移植、人工心臟、達芬奇手術系統也是在這個時代出現。

能量外科也是信息時代重要成就，通過預先編程的能量釋放方式，用更少的能量切割、止血、離斷等，減少手術的創傷。首例遠程手術，也是在這個時代出現的。

我們認為從二十一世紀這個十年開始，人類進入智能外科時代，所謂智能外科是通過人工智能賦能外科實踐，利用人工智能的和方法輔助和替代人類進行外科診療行為，其有兩個本質性特征：一是診療行為標準化，二是診療設計個體化。

我們是解放軍總醫院肝膽胰腫瘤外科，在發展的進程中對當代外科的三大技術都有廣泛的使用和充分的認識。

簡單介紹，第一張圖是開腹手術，手術臺上站了4個人。第二張圖腹腔鏡手術站了3個人，機器人技術臺上站了1個人。手術臺上的醫生越來越少，功能越來越復雜強大，就像是自行車、汽車和飛機的遞進。

在我們看來，即便到今天的時代，我們可以用機器人做絕大部分手術的時候，有一部分的病人還是會選擇用腹腔鏡或者選擇用開放的手段做。因為不同的手術有適應癥，我們應該為病人選擇最合適的，而不是用最先進的方法。這是相互協同，互為補充的關系，目前階段不能絕對說這是取代的關系。

從2011-2019年我們完成了達芬奇機器人肝膽手術數量超過3000例。說明我們胰腺種類的手術很全，最復雜的手術我們都可以做，這是我們的胰腺手術數量。從全國來說，2011-2018年我們完成了全國32%的肝膽胰機器人手術，由我們中心完成。2018年我們完成全國手術總量的40.2%，我們是70張病床的病區，數量是很少，但我們完成的機器人手術數量非常多。

我們在此基礎上做了理論的創新，撰寫了技術書籍，制訂了國家衛計委的手術操作指南、國際手術操作共識。目前有三項世界第一：手術總量、疑難手術量和創新手術量。

說完自己，我們談談宏觀情況。

目前我國整體情況，2018年我國衛生健康事業發展統計公報顯示，全國醫療機構和醫院醫院總量有98萬個，不到3%的醫院占據76%的床位，優質醫療資源分配極度不均衡，分級診療難以得到落實。這是第一個情況。

第二個情況，從2012-2015年我國超過65歲以上的人口從9.4%上升到10.5%，與此同時，每千人的醫生量從1.6%僅僅上升到1.8%，人口老齡化增加了醫療需求，但是醫學從業人員或者外科從業人員非常不足，這來自于國家統計局的數據。

我們希望通過從外科的維度和手術機器人實現醫療標準化，減少對人力資源的依賴。這是基本目標，也是我們的理想。

我們把優秀外科專家能力定為100，把基層普通外科醫生能力定為1，在100和1之間我們希望向上半段偏態分布，通過智能化和機器人的手段讓平均的醫療實踐水平超過70分，這是我們的奮斗目標。在這一過程中，機器人是非常重要的載體。

機器人在外科領域的應用的歷史過程，從早期的導向定位機器人到后期的持物臂機器人，到后期的主從式機器人等階段。

這是持物臂機器人，持物臂機器人的核心特征是穩定，哪怕是優秀外科醫生的手一樣會振顫和抖動，機器人不會，他可以非常穩定、精確的操作完成。

我們希望機器人具有手術導航功能，什么是手術導航？通過識別人體器官和手術機械，根據手術前的規劃為外科醫生進行術中指導，它可以規劃手術路徑，進行術中提示。

手術導航是未來自動化手術的一個技術基礎，也是真正意義上機器人手術的必備功能，這是我們的理解，它可以降低手術難度，提高手術質量，同時可以輔助新外科醫生的培訓。

手術導航基本原理是構建手術器械、三維影像和手術部位之間的空間關系。非常類似我們駕車導航時構建了車輛、道路和地圖之間的空間關系。人體組織器官簡單分為兩類：硬質器官和軟質器官。骨骼屬于硬質器官，空間比較固定。導航機器人的核心要求是配準，目前導航主要應用在骨科、神經外科，機器人也是用在骨科。

目前手術導航有兩種方式：光學導航和電磁導航。

光學導航是通過光線的反射和指示實現導航，好處是結構比較簡單，但是它的缺點明顯，光線容易被遮擋，只能應用于體表器官，對于像神經外科、開顱手術、脊柱外科、關節外科等，像我們做腹腔手術或者胸腔手術，光線難以進來。

電磁導航通過器械上的磁感應線圈指示在磁場中位置，這個磁場很容易受到電磁環境的干擾，目前主要用于介入手術，如鼻竇手術或者顱內手術，比較小的管狀器械手術用電磁導航是比較合適的。

目前開展手術導航機器人的研發廠家主要包括是史賽克、Medtronic（美敦力）和Rosa。國產比較優秀的是天璣手術機器人，它是很不錯的，亞毫米級的導航精度。

從外科角度看機器人的問題。外科醫生應當具有很高的勇氣，應當跟疾病和困難做短兵相接，短兵相接的途徑是人手，也就是外科醫生的手指。

腹腔鏡技術的發明給我們提供腹腔鏡器械讓外科醫生的手得到延伸。不管是開放性手術還是腹腔鏡手術，本質來說是臨臺手術，外科醫生離不開手術臺。機器人手術系統的出現特別是主從式機器人手術系統的出現把遠程操作變成可能性，完成了離臺手術。

離臺手術有很多的優勢，它可以減少感染、減少抖動、減少外科醫生的疲勞。最重要的一點，離臺手術第一次在外科醫生手指活動和手術機械活動之間提供了人工智能等技術實施干預的平臺。比較出名的主從機器人包括早期的Zeus系統和達芬奇手術系統，達芬奇手術系統是目前臨床使用最廣的系統。

比較優勢，我們把達芬奇手術機器人和傳統腹腔鏡手術進行比較，其優勢明顯。它的圖像放得更大，沒有支點效應，消除生理性振顫。自由度非常高，可以做精細的縫合、打結等精細動作。手術者遠離手術臺，減少感染的風險。

它的缺點是沒有觸覺反饋，機器人手術系統在布置時很麻煩。我們早期做機器人手術，安裝一個機器人，把病人躺好固定好，我們把所有的孔戳好，大約需要40-50分鐘，系統復雜、孔多，布置起來很麻煩。

通過技術改進，現在的速度可以縮短20分鐘內，甚至十幾分鐘可以布置完。

我們主要將機器人手術用于像肝膽胰腫瘤等復雜手術，簡單的手術不需要機器人來做。現在新一代機器人系統穿刺孔呈線性排列，但依然徹底沒有解決安裝和布置比較復雜的核心問題。

總的來看，機器人手術系統可以減少手術所需的醫生數量，它可以減輕醫生疲勞。從右圖可以看到主刀醫生坐在這里做手術。我們發現醫生腰椎、頸椎可能是好了一點，但是手指頭不行了。

我個人不滿意人體工學設計，太疲勞了。如果將來有更符合生理習慣的情況做手術，可以進一步提高外科手術的效率。

主從式系統除了宙斯和達芬奇手術機器人外，還有其他系統，韓國開發了RIVI-I，和達芬奇手術系統很相似。意大利Senhance，這個系統有兩個核心特點：一是具有一定程度的初學反饋；二是可以通過手術者的眼球、運動調整監控視野，手術者的坐姿相對來說比較舒服。

國產包括妙手機器人以及康多機器人。

在機器人基礎上進一步發展，出現自動化手術機器人。這是自動縫合機器人，通過全景3D攝像頭、紅外熒光成像、自動縫合傷口，在外科醫生監督下實現自動縫合，可以識別外科醫生的動作，對外科醫生形成縫合操作上的配合，這是非常了不起的。

更加了不起的是強生和谷歌研發的Verb，他們一直強調不是機器人，但我把它歸為這一類，將來它叫數字化手術平臺，主要引入了機器學習、大數據，主動分析手術數據。預期目標是實現主動輔助手術。

從現階段來看，我們用了達芬奇手術機器人，嚴格意義上它不是智能化的設備，它只是微創手術良好的執行終端。

與此同時，它可以提供非常高質量的手術視頻數據，這是非常寶貴的財富。數據是人工智能的基石。

這是肝臟手術，左邊是肝臟。通過手術中的視頻解析可以讓計算機理解當前手術視頻中發生的操作。我們希望它可以在手術中作出合理選擇，下一步要去哪里，規劃下一步手術操作，對各個操作細節，比如你靠近大血管或者你靠近不應該去的地方，這時候有紅燈預警、聲音預警或者圖像預警。

如果將來融入實時融合分析，這個手術做到這個地方做不下去，不會做怎么辦？可以調用大數據專家系統的錄像看別人怎么處理，這對極端場景會產生非常良好的幫助。

在我們研究中最核心的問題是軟質器官術中配準，我們主要做肝膽胰手術，我們做的是軟的東西，在切除過程中來回搬動，它發生形變。切了半肝，這跟術前的三維數據不是一個東西。

這時候多模態數據在狹窄的視野中如何配準是一個重要的問題，我們希望通過學科交叉協同解決這些問題。

遠程機器人手術。主從式機器人系統優勢可以做離臺手術。宙斯系統出來后在2001年做了林德伯格手術，從紐約到法國斯特拉斯堡之間，二者距離6000多公里，通過跨大西洋海底通信光纜完成膽囊切除術，手術45分鐘順利結束。

結論就是，只要有可靠的信號機器人可以完成手術。聽上去非常好，實際價值不大，這用的是專線光纜，實際過程中不可能每個病人都這么做。

我們去年和康多機器人、華為、福建聯通一起做了世界上首例基于5G通信技術的遠程動物手術實驗，還有相關的報道。我們的距離很近，大概50公里，一個是在福建的孟超肝膽醫院，另一個在福建聯通實驗室，50公里和500公里的區別不大，我們走的是無線網絡。

無線情況下的遠程手術和過去光纜條件下的遠程手術最大的區別是布置的靈活性，將來一個醫生坐在辦公室可以同時監督、實施多臺手術。這是了不起的場景，多個外科醫生協同完成同一臺手術，多個外科醫生在不同的地理位置上，用這樣的中心可以覆蓋各種各樣的場景，實際上我們在這方面的有一些課題，我們一直在做這方面的研究，希望通過無線遠程手術解決特殊情況下的手術外科需求。

簡單小節一下，外科機器人手術發展過程中，機械功能不斷增強，類人屬性不斷增加，同時自動化和智能化水平不斷提高。在我們看來機器人手術充分的與人工智能進行結合，主要發展趨勢包括以下幾方面：

一是輕量化發展趨勢；二是專門化發展趨勢；三是無線化發展趨勢；四是導航、標定和配準；五是智能化，將達芬奇與機器學習充分融合，實現真正意義上的手術機器人。

我們在學科上提出一個理念，手術機器人+智能導航+自動化控制=智能外科。智能外科是人工智能所驅動的手術系統。

以上是我的匯報，謝謝大家！

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