開放源碼：手術(shù)機(jī)器人“烏鴉”采用Linux系統(tǒng)

加州大學(xué)圣克魯茲分校的副教授雅各布·羅森和他研發(fā)的“烏鴉”機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)。

作為新一代手術(shù)機(jī)器人，“烏鴉”已進(jìn)入全美最領(lǐng)先的多家實驗室。更加完美的手術(shù)和醫(yī)生之間的遠(yuǎn)程合作將得以實現(xiàn)。

烏鴉的名聲向來不大好聽，但美國華盛頓大學(xué)的電子工程教授布雷克。漢納福德和加州大學(xué)圣克魯茲分校(UCSC)的雅各布。羅森等人正在致力于改變?yōu)貘f在人們腦海中固有的印象。今年2月，他們向全美多所大學(xué)發(fā)放了一批有鳥翼樣機(jī)械臂的醫(yī)用機(jī)器人，這種機(jī)器人就被命名為——“烏鴉”。

如今，在機(jī)器人輔助外科手術(shù)設(shè)備中，占主導(dǎo)地位的是靠控制臺操縱的“達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)”。該裝置模擬外科醫(yī)生手部的運(yùn)動，并等比例地放緩，這樣就可以利用微創(chuàng)切口來進(jìn)行手術(shù)了。商用手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的主要優(yōu)點是通過小切口時相當(dāng)靈活，和現(xiàn)有常規(guī)外科技術(shù)相比，用這種方式做手術(shù)對病人造成的組織損傷小，康復(fù)得更快。

迄今為止，“達(dá)芬奇”系統(tǒng)已經(jīng)生產(chǎn)了幾千套，據(jù)估計，全世界每年使用該系統(tǒng)的手術(shù)超過20萬臺。從2000年美國食品與藥品管理局(FDA)批準(zhǔn)“達(dá)芬奇”機(jī)器人用于人體算起，它至今仍是唯一獲得FDA批準(zhǔn)銷售的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)。但是，“達(dá)芬奇”還遠(yuǎn)不夠完美。首先，它是固定裝置，且重達(dá)半噸，這就限制了其調(diào)配使用。而且，它售價高達(dá)180萬美元，不是每家醫(yī)院都買得起，只有那些有錢的醫(yī)療機(jī)構(gòu)才能夠擁有。此外，由于“達(dá)芬奇”需要專用的軟件才能使用，所以那些熱衷于研究機(jī)器人的技術(shù)人員，即使買得起“達(dá)芬奇”，自己也無法對其操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

共享的“烏鴉”

“烏鴉”手術(shù)機(jī)器人就沒有“達(dá)芬奇”的這些缺點?！盀貘f”的原型最初是2005年由漢納福德和羅森為美國軍方研制的戰(zhàn)地手術(shù)機(jī)器人。相對于“達(dá)芬奇”而言，它緊湊、輕便又價廉，價格大約在25萬美元。新版“烏鴉”的體積更小，機(jī)械手更為靈巧，可以在手術(shù)過程中拿住手術(shù)器具。更重要的是，對于研究而言，它也是最先使用開放源軟件的手術(shù)機(jī)器人，由于采用Linux操作系統(tǒng)，允許用戶根據(jù)需要自行修改代碼，這讓它可以很容易地與其他裝置相連接，為研究人員進(jìn)行外科手術(shù)的實驗和協(xié)作創(chuàng)建了一條通路。

羅森和擔(dān)任華盛頓大學(xué)生物機(jī)器人實驗室主任的漢納福德共同領(lǐng)導(dǎo)研制“烏鴉Ⅱ”機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的研究小組，在美國國家科學(xué)基金會的資助下，已經(jīng)制造了7套 “烏鴉Ⅱ”系統(tǒng)。目前，這些設(shè)備是為美國主要的醫(yī)學(xué)實驗室而制造的。在完成最后一輪測試后，其中五個系統(tǒng)已經(jīng)被運(yùn)送到哈佛大學(xué)、約翰?；羝战鹚勾髮W(xué)等機(jī)構(gòu)的醫(yī)用機(jī)器人研究所，另外兩套系統(tǒng)則留在加州大學(xué)圣克魯斯分校和華盛頓大學(xué)。

“烏鴉Ⅱ”系統(tǒng)具有兩條機(jī)械臂、一個觀察手術(shù)現(xiàn)場的攝像頭和一個可以進(jìn)行在線遠(yuǎn)程手術(shù)的機(jī)器人手術(shù)界面。它允許醫(yī)生從遠(yuǎn)程位置操作機(jī)器人系統(tǒng)，可以為偏遠(yuǎn)地區(qū)或發(fā)展中國家提供更好的專家醫(yī)療。有了實驗室研究網(wǎng)絡(luò)的公共平臺，各大學(xué)的研究人員可以分享軟件、重復(fù)試驗，并在其他方面展開合作。

即使這意味著給競爭對手提供自己花好幾年時間才研究出來的工具，羅森和漢納福德還是決定分享“烏鴉Ⅱ”的成果，因為這似乎是推動這一領(lǐng)域進(jìn)步的最佳路徑。

美國大部分手術(shù)機(jī)器人的研究都集中開發(fā)各種不同機(jī)器人系統(tǒng)的軟件，學(xué)術(shù)人員沒有權(quán)限研究這些私人系統(tǒng)。羅森說，“通過在學(xué)術(shù)界內(nèi)提供高質(zhì)量的硬件，我們正在改變這一現(xiàn)狀。每個實驗室都從一個相同的操作系統(tǒng)開始，他們研究的結(jié)果和提出的改進(jìn)都將儲存在一個在線知識庫中，對所有人開放，彼此可以交換硬件和軟件，并分享新的進(jìn)展和算法，同時又可以保留自己發(fā)明的知識產(chǎn)權(quán)。”

目前，哈佛大學(xué)的羅伯。豪和他的團(tuán)隊正在試驗利用“烏鴉”機(jī)器人在跳動的心臟上做手術(shù)。與此同時，加州大學(xué)洛杉磯分校的沃倫。谷倫德菲斯特正致力于使通過觸覺實現(xiàn)人機(jī)交流的研究。加州大學(xué)伯克利分校的派伊特。艾貝爾和肯。高博格正在嘗試教導(dǎo)機(jī)器人通過模擬醫(yī)生的手法而自動做手術(shù)。而羅森博士自己正在潛心研究外科醫(yī)生與手術(shù)機(jī)器人如何通力協(xié)作的方法。

美國食品與藥品管理局還沒有批準(zhǔn)研究型“烏鴉”用作人體的手術(shù)，所以，目前所有的研究都被限定在用動物或人類尸體做手術(shù)。但是，研究人員相信，只要經(jīng)過足夠的試驗，隨著時間的推移，“烏鴉”遲早會得到FDA的批準(zhǔn)。

讓手術(shù)更完美

為什么現(xiàn)在的心臟外科手術(shù)做不到更加完美呢?其中主要原因是人類視覺和動作的限制。醫(yī)生在一個打開的胸腔中修復(fù)心臟時，他的肉眼并不能看清一切，就算是訓(xùn)練有素的外科醫(yī)生，僅憑其雙手也不能精確地感受到手術(shù)部位的一切。

為此，哈佛大學(xué)生物機(jī)器人實驗室教授羅伯特。豪想給外科醫(yī)生配備一個機(jī)器人助手。豪和他的團(tuán)隊測試“烏鴉”機(jī)器人的目的，是幫助外科醫(yī)生在心臟周圍觀察和導(dǎo)航。該系統(tǒng)運(yùn)用3D超聲成像來實時呈現(xiàn)人體內(nèi)部器官?！爸钡浆F(xiàn)在，所有的超聲波掃描儀產(chǎn)生的都是2D切面圖像，因而沒有充分顯示心臟的影像，不足以讓外科醫(yī)生有效地工作?！焙勒f，“我們獲得的是用掃描儀產(chǎn)生的立體圖像，用我們所編寫的快速圖像加工軟件可以定位目標(biāo)組織和手術(shù)器械?！?/p>

現(xiàn)在，像“達(dá)芬奇”這樣的機(jī)器人，目的都是復(fù)制人的動作并輔助人的感知。但是，專長于計算機(jī)視覺研究的約翰。霍普金斯大學(xué)計算機(jī)科學(xué)教授格雷戈里。海格認(rèn)為，“烏鴉”還有更多的提升空間，他說：“手術(shù)機(jī)器人的目的，就是要做超過人的能力所及的事情，要做到這一點，就需要機(jī)器人智能到能夠看出醫(yī)生正在做什么，并及時提供適當(dāng)?shù)妮o助。出于安全的考慮，還可以遠(yuǎn)程設(shè)置手術(shù)的禁區(qū)，所有這些都在研制中?！?/p>

“烏鴉”機(jī)器人軟件可以在一個高性能圖像處理計算機(jī)上運(yùn)行，這種計算機(jī)和那些頂級配置的游戲電腦類似。豪指出，可以產(chǎn)生高質(zhì)量電腦游戲圖像的處理器，對于實時醫(yī)學(xué)成像是很理想的。他說，“我們需要強(qiáng)大的處理能力，這是因為超聲掃描儀產(chǎn)生數(shù)據(jù)的傳送速度很快。此外，由于超聲波圖有噪聲，所以需要一種復(fù)雜的算法來穿過噪聲追蹤目標(biāo)?！?/p>

在哈佛，豪和他的團(tuán)隊在實驗室的機(jī)器人上利用一種單一快速的動作，來配合心臟的跳動。當(dāng)手術(shù)儀器到達(dá)器官時，周圍的控制回路關(guān)閉，儀器就會自動移動，與心臟組織的跳動串接。“醫(yī)生可以命令機(jī)器人的動作與心臟的博動相呼應(yīng)，”他說，“在理想的情況下，這就好像醫(yī)生是在靜止的心臟上做手術(shù)。”

海格的小組正在研究手術(shù)機(jī)器人是否能使得創(chuàng)傷性手術(shù)更安全，比如內(nèi)窺鏡鼻竇手術(shù)是利用鼻內(nèi)窺鏡治療鼻息肉和鼻竇炎的方法。這是一種有風(fēng)險的手術(shù)，因為鼻竇靠近至關(guān)重要的眼睛和大腦?！爱?dāng)你做這樣一個手術(shù)時，鼻竇是進(jìn)入頭部中心的干線，大腦組織就在那里，”海格說，“當(dāng)你進(jìn)入時，那里有很多‘地雷’，你需要經(jīng)過視神經(jīng)、頸動脈，還有控制面部運(yùn)動的顱面神經(jīng)?！?/p>

出血和解剖變化會妨礙外科醫(yī)生的觀察，而破壞這些關(guān)鍵的組織結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致顱內(nèi)出血?！盀貘f”系統(tǒng)可能會改進(jìn)現(xiàn)有的CT導(dǎo)航系統(tǒng)，在醫(yī)生進(jìn)行鼻竇手術(shù)時，應(yīng)用的是安裝在鼻竇內(nèi)窺鏡端部可以確定3D位置的成像系統(tǒng)。

海格說，5年至10年以后，醫(yī)學(xué)院的學(xué)生可能會把“烏鴉”作為一種外科學(xué)習(xí)的工具。這個系統(tǒng)可以記錄專家在縫合、切除以及其他手術(shù)操作中的手法，使得該系統(tǒng)可以衡量和比較年輕醫(yī)生做同樣手術(shù)時的能力。

羅森和他的同事已經(jīng)在研制“烏鴉IV”手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，這個系統(tǒng)包括四個機(jī)械臂和兩臺相機(jī)，這一系統(tǒng)可以讓在不同地點工作的外科醫(yī)生通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行合作。要不了多久，不同手術(shù)室之間的遠(yuǎn)程控制與合作，將是稀松平常的事情。