機器人輔助系統(tǒng)在眼底手術(shù)中的應(yīng)用

林梓豪，許可正， 李強，林浩添 審校

(1.中山大學(xué)醫(yī)學(xué)院，廣東 深圳 518107；2.中山大學(xué)中山眼科中心，眼科學(xué)國家重點實驗室，廣東省眼科視覺科學(xué)重點實驗室，廣州 510060)

機器人輔助系統(tǒng)(robot auxiliary system，RAS)是以機器人為主體，整合了引導(dǎo)系統(tǒng)、穩(wěn)定系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)，并可以應(yīng)用于各領(lǐng)域的智能化系統(tǒng)。近年來，人工智能成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一大研究熱點。在眼科領(lǐng)域，基于人工智能技術(shù)的RAS在眼底手術(shù)的相關(guān)應(yīng)用研究對于眼科的發(fā)展具有重大意義。

與其他外科手術(shù)對比，眼底手術(shù)具有顯微、低創(chuàng)、高精度的特點。以玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)為例，人眼視網(wǎng)膜顯微手術(shù)的精確度最低需要達到20～40 μm的幅度[1]，但是人體由于自身生理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的自發(fā)的、不可避免的震顫可達到100 μm的幅度[2]。因此，對這一極其微小、脆弱的組織進行顯微手術(shù)操作，對眼科醫(yī)生而言是一個巨大的挑戰(zhàn)。然而，影響眼科手術(shù)效果的因素除了眼科醫(yī)生的技術(shù)水平、不可避免的生理性震顫，還有術(shù)中不佳的手術(shù)視野。特別是后者這一限制條件，因缺乏輔助技術(shù)的支持，許多眼科醫(yī)生完全依靠視覺反饋進行手術(shù)，外加難以把握的手術(shù)應(yīng)力，導(dǎo)致術(shù)中的操作具有極高的風(fēng)險性[1,3-4]。因此，為了提高手術(shù)的安全性、精確度，眼科醫(yī)生需要高精確性、高穩(wěn)定性的輔助技術(shù)來協(xié)助他們實現(xiàn)對力和振動的極佳控制，從而協(xié)助他們完成視網(wǎng)膜剝離、視網(wǎng)膜下治療和視網(wǎng)膜靜脈插管等要求極其精細的手術(shù)。而RAS在眼底手術(shù)的應(yīng)用，可能成為這一難題的解決方案。

1 手術(shù)機器人在眼底手術(shù)當(dāng)中的應(yīng)用

1.1 手術(shù)機器人的引導(dǎo)系統(tǒng)

手術(shù)機器人的引導(dǎo)系統(tǒng)，即視覺引導(dǎo)系統(tǒng)，旨在通過數(shù)字成像技術(shù)將手術(shù)視野清晰化、擴大化，以便于醫(yī)生進行精準(zhǔn)的手術(shù)操作。手術(shù)機器人的引導(dǎo)系統(tǒng)主要基于光學(xué)相干斷層掃描(optical coherence tomography，OCT)技術(shù)和平視技術(shù)。

1.1.1 OCT

最初，OCT替代了傳統(tǒng)的眼底成像技術(shù)，主要用于黃斑病變等眼底疾病的高分辨率成像，極大地提高了眼底疾病診斷的效率和準(zhǔn)確性[5]。近年來，OCT的應(yīng)用范圍大大拓展，如用于手術(shù)暫停期間的手持式OCT、實時二維OCT成像和實時三維OCT成像等。

在眼底手術(shù)暫停期間，眼科醫(yī)生可以運用手持OCT探頭(hand-holding optical coherence tomography，HHOCT)完成視網(wǎng)膜術(shù)中OCT(intraoperative optical coherence tomography，iOCT)。如Bioptigen HHOCT設(shè)備將1個手持成像探頭，通過柔性光纖連接到便捷式手推車上。該探頭能以17千次掃描的速度生成軸向分辨率為5 μm的斷層圖像。眼科醫(yī)生只需要將探頭放置到距離患者角膜約2 cm的地方，加以傾斜便可以獲得患者視網(wǎng)膜的高清成像。與傳統(tǒng)的桌面掃描儀不同，HHOCT能夠?qū)κ中g(shù)中處于仰臥體態(tài)的患者進行視網(wǎng)膜成像。這一特點也更符合手術(shù)室這一應(yīng)用場景。HHOCT這一技術(shù)的應(yīng)用，不僅大大擴展了眼科醫(yī)生在手術(shù)中的視野，更降低了因分辨率低的成像而導(dǎo)致手術(shù)事故的可能性。但其主要缺點在于，成像過程中顯微鏡必須離開患者，這限制了手術(shù)停頓的時間。

實時二維OCT 成像運用的核心技術(shù)為顯微鏡集成O CT(microscope integrated opt ical coherence tomography，MIOCT)，即可以同時運用顯微鏡和O CT對人體視網(wǎng)膜進行成像。這兩種模式實現(xiàn)了顯微鏡物鏡與二色鏡的共對準(zhǔn)，使得顯微鏡與O CT可以聚焦在同一平面上，因此可以更容易地獲得顯微鏡焦平面內(nèi)的高質(zhì)量OCT圖像。同時，MIOCT系統(tǒng)還可以與雙目間接眼科顯微鏡(binocular indirect ophthalmology microscope，BIOM)兼容，用于視網(wǎng)膜手術(shù)的寬視野成像，手術(shù)過程中獲取的圖像也會實時顯示在計算機顯示器上，利于將手術(shù)視野實時反饋給眼科醫(yī)生。MIOCT相比于HHOCT而言，既保持了后者的優(yōu)勢，又克服了其缺點——即MIOCT不需要將顯微鏡移開患者。實時三維O CT成像是對MIOCT技術(shù)的一大革新。其核心技術(shù)為定制的超高速OCT(super speed optical coherence tomography，SS-OCT)系統(tǒng)，運行速度相比MIOCT快了3～5倍，并配備有定制圖形處理單元(graphics processing unit，GPU)，可以實時獲取、處理和渲染圖像。此外，SS-OCT還可以集成立體平顯，即4D MIOCT，實現(xiàn)顯著增強的體積組織變形的可視化，這有助于識別手術(shù)干預(yù)后黃斑3D結(jié)構(gòu)的變化[6]。3種OCT技術(shù)的對比總結(jié)如表1。

表1 3種OCT技術(shù)的對比Table 1 Comparison of three kinds of OCT technology

目前O CT技術(shù)的發(fā)展十分可觀。如2019年8月，上海駐馬店眼科醫(yī)院李云鵬院長助理的眼底前后聯(lián)合手術(shù)使用了先進的RESCAN 700 OCT技術(shù)，該技術(shù)增加了視網(wǎng)膜血流成像功能，能夠在無創(chuàng)的情況下獲得清晰的血流圖像，有效地提高了黃斑前膜、黃斑裂孔、黃斑劈裂手術(shù)的精準(zhǔn)性，從而降低致密玻璃體積血的二次手術(shù)率[7]。當(dāng)前OCT的研究熱點主要在于進一步研發(fā)更加先進的成像技術(shù)，集成深度學(xué)習(xí)算法，以實現(xiàn)圖像的全自動化分析和處理。如角膜成像系統(tǒng)集成了眼前節(jié)光學(xué)相干層析成像(anterior segment-optical coherence tomography，AS-OCT)、支持向量機(support vector machine，SVM)和角膜形狀的自動決策樹分類算法[8]。

1.1.2 平視技術(shù)

平視技術(shù)最早應(yīng)用于飛機飛行甲板[9]，它可以使飛行員能夠以“平視”的姿勢查看數(shù)據(jù)，而不必低頭看儀表盤，從而保證了飛行的安全性。如今，平視技術(shù)也運用到眼科手術(shù)中。在平視外科手術(shù)中，眼科醫(yī)生不是通過顯微鏡目鏡來進行手術(shù)，而是通過觀察3D相機投射到大型平板顯示器上的顯微圖像進行手術(shù)。這一手術(shù)方式與傳統(tǒng)手術(shù)相比，使得眼科醫(yī)生在手術(shù)中可以采取更舒適的直立或略微向后傾斜的坐姿，而不是需要始終保持略微前傾的坐姿，這大大減輕了眼科醫(yī)生在進行長時間精細手術(shù)時頸部和背部的疼痛。

平視技術(shù)還可以與電子放大攝像機進行結(jié)合，來調(diào)節(jié)術(shù)中視野的亮度。此外，對于一些玻璃體切除手術(shù)，特別是為有密集的玻璃體出血、不透明介質(zhì)或有深色眼底的患者做手術(shù)時，電子放大攝像機的介入可以降低20%以上的曝光度，這對于識別難以辨認(rèn)的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)非常有幫助[9]。然而，由于圖像信號放大，采用平視技術(shù)顯示的圖像分辨率相較于傳統(tǒng)顯微鏡觀察可能稍有降低。針對這一個缺陷，Renato團隊[10]發(fā)現(xiàn)并驗證CMOS攝像頭以及OLED屏幕的引入，可以彌補分辨率下降，使得圖像質(zhì)量仍然保持最佳狀態(tài)。

1.2 手術(shù)機器人的穩(wěn)定系統(tǒng)

視網(wǎng)膜手術(shù)工作空間狹小，組織脆弱，手術(shù)的順利進行離不開眼科醫(yī)生高精度的精細操作。而各種難以控制的因素，如生理性震顫、疲勞、患者活動等很可能會導(dǎo)致眼科醫(yī)生的操作失誤，進而引發(fā)醫(yī)源性事故。

手術(shù)機器人的穩(wěn)定系統(tǒng)，可以降低眼科醫(yī)生手術(shù)時的生理性震顫，穩(wěn)定手術(shù)儀器，從而大大提升手術(shù)的安全系數(shù)和成功率。我國研究團隊[11]開發(fā)的“穩(wěn)定手”眼機器人(“steady hand”eye robot，SHER)融合了主動介入機器人系統(tǒng)(active interventional robot system，AIRS)，其核心為具有長短期記憶(long and short term memory，LSTM)單元的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(recurrent neural network，RNN)。RNN可以對眼科醫(yī)生即將為眼球施加的手術(shù)應(yīng)力進行預(yù)測和分類：首先以預(yù)測的手術(shù)應(yīng)力為輸入值(包括大小、方向、角度等)，其次對輸入值進行預(yù)測分析，然后將手術(shù)應(yīng)力分為“安全”和“不安全”兩類，最后，如果預(yù)測結(jié)果為“不安全”時，SHER便可以通過初始線性導(dǎo)納控制來驅(qū)動機械手以減小手術(shù)應(yīng)力(圖1)。據(jù)評估，徒手操作的不安全作用力比例高達26%，而AIRS可以將視網(wǎng)膜手術(shù)中不安全的作用力比例控制在3%以下[11]。

圖1 RNN遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在手術(shù)應(yīng)力預(yù)測分析中的應(yīng)用原理Figure 1 Application principle of RNN recurrent neural network in the prediction and analysis of surgical stress

在類似于SHER的穩(wěn)定系統(tǒng)的協(xié)助下，一些傳統(tǒng)難以進行的眼底手術(shù)可以成為現(xiàn)實。以視網(wǎng)膜靜脈阻塞(retinal vein occlusion，RVO)為例，RVO 是由一條或多條視網(wǎng)膜靜脈阻塞引起的致盲疾病。目前，臨床上RVO的治療方案只注重對癥治療以減輕患者的痛苦，但并不能根治這一疾病。唯一有可能治愈RVO的便是視網(wǎng)膜靜脈插管手術(shù)。視網(wǎng)膜靜脈插管手術(shù)是一個實驗性的眼底手術(shù)，其主要思路是在視網(wǎng)膜靜脈中注射抗凝劑來解除靜脈阻塞。然而，視網(wǎng)膜靜脈的直徑十分微小，管壁也十分脆弱，眼科醫(yī)生對其定位精度有限，人工手術(shù)被認(rèn)為風(fēng)險太大。因此，為了保證患者的安全，眼科醫(yī)生便放棄了傳統(tǒng)的插管手術(shù)。

為突破這一限制，世界各地的研究機構(gòu)開發(fā)出了相當(dāng)數(shù)量的機器人原型，它們大致可細分為3種：手持設(shè)備、共操作系統(tǒng)和遙感操作系統(tǒng)[12]。手持設(shè)備的主要作用是通過主動補償手部震動和提供有限的運動比例來提高精確度。如美國西北大學(xué)開發(fā)的Micron系統(tǒng)[13]，該系統(tǒng)由一個位于手柄和手術(shù)工具之間的微型Stewar t平臺和一個光學(xué)跟蹤系統(tǒng)組成。眼科醫(yī)生可以保留對手術(shù)器械的直接控制，而該系統(tǒng)為其提供了諸如精確度增強、眼球穩(wěn)定和器械固定等輔助功能。這些輔助功能顯著降低了眼科醫(yī)生施加在手術(shù)切口上的切向凈力，從而最小化術(shù)中眼球的旋轉(zhuǎn)，降低手術(shù)事故的發(fā)生率。此外，Gijbels團隊[14]也開發(fā)了一個共操作系統(tǒng)以及搖桿操作系統(tǒng)。與前述的手持設(shè)備類似，這些系統(tǒng)可以通過機械或軟件將儀器的自由度限制在每次至多只能圍繞切口旋轉(zhuǎn)3圈，而且還可以通過切口平移來實現(xiàn)眼球穩(wěn)定，使得眼底手術(shù)的精確度提高了10倍以上。

此外，在國內(nèi)外醫(yī)學(xué)交流中被屢屢提及的荷蘭眼科手術(shù)機器人Preceyes BV也具有強大的穩(wěn)定系統(tǒng)。Preceyes BV手術(shù)系統(tǒng)集成于手術(shù)臺上，由運動控制器(motion controller，MC)和固定手術(shù)器械的臺式機械操縱器(instrument manipulator，IM)等精細部件組成(圖2)。外科醫(yī)生啟用運動控制器上的離合器后，可以激活MC與IM之間的耦合，并在用于過濾手術(shù)震顫的編程協(xié)議、動態(tài)運動縮放、可調(diào)節(jié)的虛擬邊界和可以凍結(jié)眼睛內(nèi)儀器位置的離合器機制等功能的相互配合之下，可以減少視網(wǎng)膜靜脈插管手術(shù)中的震顫程度，因而讓外科醫(yī)生成功地將插管和藥物輸送到直徑僅有80 μm的視網(wǎng)膜靜脈當(dāng)中。這一創(chuàng)舉超出了人工手術(shù)的極限[12,15]。

圖2 Preceyes BV手術(shù)系統(tǒng)的組成Figure 2 Composition of Preceyes BV Surgical System

2018年的一篇報告[16]指出Preceyes BV輔助視網(wǎng)膜手術(shù)的首次人體研究取得了一定的成果，研究結(jié)果表明：雖然相較于人工手術(shù)，機器人系統(tǒng)參與的手術(shù)用時較長，但后者在手術(shù)中的微出血情況更少，也更為安全。目前，Preceyes BV系統(tǒng)已被多個國家的眼科醫(yī)院所引進。

機器人穩(wěn)定系統(tǒng)輔助于眼底手術(shù)，讓僅存在于理論中的高難度高危險的眼底手術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)實中成為可能，也讓更多的眼底疾病擁有了治愈的希望。

1.3 手術(shù)機器人的監(jiān)測系統(tǒng)

除上述的引導(dǎo)系統(tǒng)和穩(wěn)定系統(tǒng)，手術(shù)RAS還有實時監(jiān)測手術(shù)應(yīng)力的監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測手術(shù)中不恰當(dāng)?shù)氖中g(shù)應(yīng)力，并通過各種信息傳遞方式告知手術(shù)者，從而避免手術(shù)者的危險操作和手術(shù)事故的發(fā)生。

由Kuchenbecker等[17-18]開發(fā)的VerroTouchTM便是一個優(yōu)秀的手術(shù)機器人監(jiān)測系統(tǒng)，它通過連接到無菌簾下方的達芬奇S機器人系統(tǒng)臂上，通過分析機械臂運動中的加速度并實時處理數(shù)據(jù)，再通過自然高頻振動反饋和立體聲反饋給外科醫(yī)生。經(jīng)體外研究表明，運用VerroTouchTM監(jiān)測系統(tǒng)可以最大限度地減少組織應(yīng)力，改善眼底手術(shù)結(jié)果。

此外，上述的SHER 也具有較好的監(jiān)測系統(tǒng)。SHER配備了基于光纖布拉格光柵(fiber Bragg gratings，F(xiàn)BG)傳感器的智能工具，其功能在于測量手術(shù)應(yīng)力、工具插入深度和刀尖接觸力，并將應(yīng)力的施加情況以力反饋技術(shù)結(jié)合音頻的形式反饋給眼科醫(yī)生。如此一來，眼科醫(yī)生便可以根據(jù)實際手術(shù)情況來實時調(diào)整力度和方向等，從而避免對相關(guān)眼球組織的損傷[11]。

監(jiān)測系統(tǒng)與前述的引導(dǎo)系統(tǒng)、穩(wěn)定系統(tǒng)相輔相成，互相配合，使得整個RAS運行合理，進一步保障眼底手術(shù)的安全性。

2 結(jié)語

手術(shù)機器人在眼底手術(shù)中的應(yīng)用與發(fā)展具有極大的潛力——手術(shù)機器人所配備的三大系統(tǒng)，極大地幫助眼科醫(yī)生正確定位以及采取合適的應(yīng)力與方向，讓以往人工手術(shù)無法實現(xiàn)的成為現(xiàn)實。然而，目前手術(shù)機器人的研究仍處于早期階段，要實現(xiàn)手術(shù)機器人的廣泛應(yīng)用仍存在著許多困難和挑戰(zhàn)。比如手術(shù)機器人引導(dǎo)系統(tǒng)中的平視技術(shù)采用的是3D相機實時成像，而一些眼科醫(yī)生不能很好地適應(yīng)3D圖像，容易產(chǎn)生眩暈感，引起身體不適；此外，手術(shù)機器人研究成本過高，缺少足夠的資金支持，以及眼科醫(yī)生學(xué)習(xí)操作手術(shù)機器人需要相應(yīng)的時間成本等。

未來眼科手術(shù)機器人的發(fā)展趨勢，主要聚焦在與深度學(xué)習(xí)算法的緊密結(jié)合，通過機器學(xué)習(xí)不僅可以做到對手術(shù)中的圖像進行預(yù)測、分類、優(yōu)化，使手術(shù)成像質(zhì)量更為優(yōu)質(zhì)，擴大手術(shù)視野，還可以進一步優(yōu)化對手術(shù)應(yīng)力與方向的可行性的評估和調(diào)節(jié)以及尋求更先進的監(jiān)測反饋技術(shù)等，從而讓高精度的眼科手術(shù)更加高效、安全。同時，手術(shù)機器人還可以在手術(shù)流程評估這一領(lǐng)域中尋求發(fā)展，例如通過數(shù)據(jù)分析提取醫(yī)生的操作偏好，進而將操作流程規(guī)范化，加快手術(shù)技術(shù)的傳承等。

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