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港中文教授Samuel Au:我花了8年时间研制达芬奇手术机器人

[日期:2016-10-30] 来源:雷锋网  作者: [字体: ]

  编者按:10 月 29 日,世界医疗机器人大会在深圳召开,香港中文大学机械与自动化工程学系的副教授 Samuel Au 做了题为《手术仪器的进步--达芬奇手术机器人系统与超越》的演讲。

  Samuel Au 是学界和产业界的双栖人物:他 2 个多月之前加入香港中文大学,此前一直在 Intuitive Surgical 工作了 8 年多时间,曾担任该公司新产品研发部门系统分析方向的研发经理。在 Intuitive Surgical,他共同发明并领导了 FDA 认证的达芬奇 Si 单孔手术平台(2012)、达芬奇单孔 Wristed 针驱动(2014)和达芬奇单孔 Xi 手术平台(2016)。Dr. Au 是超过 12 家同行评议的手稿和会议期刊的作者或合作者,并有超过 20 项专利正在申请中。他的作品在许多杂志上都有报道,如纽约时报和 MIT Technology Review。他赢得了无数奖项,其中包括美国机械工程师协会(ASME)学生机械设计竞赛的美国社会一等奖(2007)、Intuitive Surgical 公司的问题解决奖(2010)、Intuitive Surgical 公司发明奖(2011)。

  

WMRC 2016 | 港中文教授Samuel Au:我花了8年时间研制达芬奇手术机器人

 

  (下面是演讲正文,雷锋网(公众号:雷锋网)在不改变原意的基础上做了一定程度的修改。)

  我最近关于达芬奇的手术机器人进行了很多方面的研究,所以非常荣幸今天有机会莅临会场和在座各位嘉宾学者分享我的研究成果。我会告诉各位我们是如何使用这项技术改变病人的健康问题,而且如何将它用到我们的手术当中。

  到底什么是达芬奇手术机器人?

  达芬奇是一款微创型手术的机器人,使得医生可以远程对病人进行检视、进行手术。它主要包括三个部分:手术控制台、控制系统以及机械臂(手):医生坐在手术控制台上对电脑做出相应的指令,摄像头提示人体器官里面的相应情况,医生依据这些反馈信息做出手术决策,所以决策权还是来自于主治医生。

  

WMRC 2016 | 港中文教授Samuel Au:我花了8年时间研制达芬奇手术机器人

 

  你可能会问这样一个问题,为什么我们会建立这样一款系统?

  这就需要搞清楚外科手术最根本的目标:

  医生可以清楚地看到病变部位(不管是体内还是体外)

  在不伤害其它健康组织的情况下,去除病变组织

  精准修复

  让伤口看起来就像没有经过手术一样

  而达芬奇的手术系统大部分是基于这样的初衷研发而成的。

  我们需要让主刀医生能够非常完美、准确地看到相应的疾病,比如病灶、组织、血管。还需要主治医生以一种建设性的眼光审视相应的组织,但有时这会因为视野障碍受到局限。这是因为很多组织是处在隐藏的、比较不容易达到的部分。达芬奇手术系统就是让医生到达这些非常难以到达的区域。

  达芬奇被广泛应用

  达芬奇手术机器人系统已经被广泛应用到不同的领域,包括像一般的外科手术、神经手术及其他医科里面。我们可以看到这个纵轴是每年由达芬奇所做的手术数量。

  

WMRC 2016 | 港中文教授Samuel Au:我花了8年时间研制达芬奇手术机器人

 

  平均来讲,这个手术的增长量是非常可观的,与之前相比增长了 40%。仅仅在去年,我们用达芬奇手术系统做了不下 600,000 场次的手术。

  接下来有一张幻灯片,展示我们如何使用达芬奇系统进行关于子宫切除手术方面的诊治。

  

WMRC 2016 | 港中文教授Samuel Au:我花了8年时间研制达芬奇手术机器人

 

  纵轴代表做手术的比例,正如各位看到的一样,在 2005 年前,超过 90% 的手术都是以开放手术的方式来完成的。而 2005 年之后,人们开始更多地使用达芬奇手术机器人。

  单孔手术

  首先我们需要问一些问题,什么叫单孔手术?单孔手术意味着我们的医生只需要找准身体上某一个单独的手术切口。我们这里有多切口和单切口外科手术的比较。

  

WMRC 2016 | 港中文教授Samuel Au:我花了8年时间研制达芬奇手术机器人

 

  多切口可以实现组织之间的分离,可以使用手术针单独的探头。其主要的问题是,从摄像头的角度来讲,为了控制这个单独切口的手术,我们需要获得更多准确的信息。我们的医生需要通过摄像头的帮助,来决定他们该如何操作相应的手术器具并开展手术。

  另外,传统的手动单孔手术十分困难。

  

WMRC 2016 | 港中文教授Samuel Au:我花了8年时间研制达芬奇手术机器人

 

  医生的眼睛看的是投影出来的影像,另外一个助手帮他操控这些设备。所以通常来说他要花很长的时间才能够完成这种单切口的手术,大概需要 4-5 小时,这对于外科医生来说是非常具有挑战性的。

  医疗界都希望解决这个问题,他们希望做出一个关节的连接器,做出一个机器臂,这是一个非常好的做法。

  2009 年 Intuitive Surgical 公司的 CEO 来到我们团队,跟我们分享这个愿景。我们共同讨论,在一个月内提出两个解决方案。我是负责其中一个项目的,所以现在已经得出这样一个生产线,就是制作达芬奇单孔机器人。

  我们使用多个不同的关节,使用一些非常灵活的组件,使这个达芬奇机器人非常灵活,可以往里头添加传感器,可以进行非常准确的切割。

  我相信大家可能曾经看过这个缝葡萄皮的视频,我们把葡萄的皮剥落出来,再把这个皮粘贴上去,从而能够看得出来这个设备是非常精准的。

  

WMRC 2016 | 港中文教授Samuel Au:我花了8年时间研制达芬奇手术机器人

 

  它主要是模拟这样一个机器手在人体腹腔的时候是怎么操作的,尽可能减少创伤。我们机器人能够在非常小的区域进行准确的切割。

  接下来是我们公司内部一段视频,是怎么使用这样的机器人进行实际手术上的操作(为避免造成一部分读者不适,本文暂时不放出相应图片)。在这个视频当中,外科医生在进行切割,这是手术当中非常困难的一部分。医生需要把这些坏死的组织从患者身上切除,而这部分是在人体比较隐蔽部分。机器手操作的速度非常快,但其实这是对于做手术来说正常的速度。

  我们在临床上的应用,到目前为止得到美国药监局的批准,可以推出达芬奇第三代单孔手术机器人,同时还有达芬奇其他的一些系统,也获得了美国药监局的批准。大家知道从 2012 年开始,我们已经做过超过1000 多例单孔切割的手术,而每一年它带给我们的收益达到 5000 万美元。

  再说一下在临床上的益处。这张图是患者身上拍的,是他做了单孔切割的手术之后。

  

WMRC 2016 | 港中文教授Samuel Au:我花了8年时间研制达芬奇手术机器人

 

  如果用手术机器人,可以切得非常快,痊愈也非常快,几乎可以说无疤无痕的。另外,我们希望它接触到人体内部一些非常隐蔽的组织和器官。

  单孔手术里用到的一些技术

  首先这样的装置必须非常灵活,能够在人体比较难处理的部分处理得好,另外一点,必须非常小型。到现在为止,它的运动机能方面可以说不是特别的准确,所以还是要进一步改进,而且有时候有点僵硬。

  作为一个机器学的研究人员来说,我觉得非常重要的一点就是,我们必须要在机器的末端添加一些传感器。只有这样,才能更好地令我们的机器人有触觉。在 2008 年的时候, Intuitive Surgical 公司就开始和另外一家公司开展密切的合作,目的就是能够研发一些非常长但是非常细型的传感器放在机器人当中,从而测量机器人触摸到的组织和器官。

  

WMRC 2016 | 港中文教授Samuel Au:我花了8年时间研制达芬奇手术机器人

 

  这是非常先进的技术,从上图中大家可以看到,光纤传感器跟我们头发丝儿一样细小,还可以和电脑图形实时进行投射。它的同步速度非常快非常准确,而且体积非常小。

  我们把这些东西全部集合在一起之后,最终得出来的雏形就是 8 年前得出来的,里面两个关节结合在一起只有 5 毫米。我给大家看一段视频,我们以非常快的速度对器械进行移动,而且不会损害它的准确度,同时每一个器械都是独立运作的。

  

WMRC 2016 | 港中文教授Samuel Au:我花了8年时间研制达芬奇手术机器人

 

  (原视频中红色的部分快速移动)大家可以看到它的速度和规模相当惊人,最后可以准确回到初始出发的位置。这样的技术也能帮助我们,使得我们的机器人或者传感器变得非常小,小到 3.5 毫米。

  

WMRC 2016 | 港中文教授Samuel Au:我花了8年时间研制达芬奇手术机器人

 

  最后我想总结一下,重点谈两点。

  第一点,我相信手术机器人依然处于初始阶段,但是目前已经能做微创手术,成功在 200 万个患者身上成功进行。

  第二点,我想谈灵活的器械能给我们带来巨大机遇,能够进一步提升手术机器人的能力和它能够触及到的范围。

  感谢大家的聆听。

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