伯克利团队正在训练AI成为外科实习医生
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伯克利团队正在训练AI成为外科实习医生

2021年05月04日 14:10:48
来源:探索机器之能

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Danyal Fer博士正坐在离距离机械手几英尺的椅子上摆弄着他面前的金属操作杆。

当他移动操作杆时,两只机械手臂会随之运动,模仿每一个细小的动作,当他的拇指和食指捏在一起时,小型机械爪也会做出相同的动作。Fer博士的外科机器人已经应用于临床,外科医生可以在计算机控制台前,利用机器人为患者进行复杂的手术。

Fer博士和加州大学伯克利分校的研究员们正在进行一项针对外科机器人的最新研究,他们希望机器人可以自主完成手术。

给人类医生减负是外科机器人的一个小目标

外科机器人The da Vinci Research Kit的手术训练

外科机器人The da Vinci Research Kit的手术训练

Danyal Fer博士和他的团队研究的外科机器人The da Vinci Research Kit,可以用机械爪将塑料环从一个塑料柱移动到另一个。用机械臂移动塑料环最初是为人类医生操作机械臂设计的训练,根据伯克利团队的一篇新研究论文,目前执行测试的自动外科机器人已经可以在灵巧、精度和速度上超过人类了。

这项研究旨在将人工智能技术带入手术室,研究人员在其中引入了很多应用在自动驾驶汽车、自动驾驶无人机和仓储机器人中的技术,以期早日通过AI技术实现外科机器人的自动化。这项研究虽然还有很长的路要走,但目前进展飞快。

外科机器人之父,约翰·霍普金斯大学教授Russell Taylor表示:「The da Vinci Research Kit的成果激动人心,这实现了我们20年来的研究目标。」

研究和应用自动外科机器人的目的并不是取代外科医生,而是要在特殊时期利用自动化手术来减轻外科医生的负担,甚至在提高手术的成功率。

机器人在部分手术中的操作准确性已经可以超越人类,例如在骨骼中植入钢钉(膝盖和髋关节置换期间的一项高风险手术)。研究人员希望自动化机器人能够为其他任务(如切割或缝合)带来更高的准确性,并在手术量激增的特殊时期,减少疲劳给人类医生带来的失误风险。

约翰·霍普金斯大学的计算机科学家Greg Hager表示,「在没有人类监督的情况下,我们无法实现整个过程的自动化,但我们可以开始构建自动化工具,减轻人类医生的工作负担。」

未来自动化外科机器人的AI将与今天的自动驾驶汽车运行模式相似。自动驾驶汽车在高速公路上运行AI自动驾驶时,人类驾驶员亦需要保持专注,并手握方向盘,在出现突发状况,或需要驶离自动驾驶路段时由人类接手继续操作。

科学家认为,深度神经网络最终将帮助外科机器人自行进行手术。

科学家认为,深度神经网络最终将帮助外科机器人自行进行手术。

深度神经网络加速外科机器人自动化

五年前,华盛顿特区儿童国家卫生系统的研究人员设计了一种机器人,可以在手术过程中自动缝合猪的肠道。这又朝着Hager博士设想的未来迈近了一步。

在这项研究中,研究人员在猪的肠道中植入了微小的标记,这些标记发出近红外光,并帮助指导机器人的运动。然而利用标记的方法在现实手术中并不实用,因为这种标记不容易植入或移除。

近年来,随着人工智能的快速发展,研究人员将深度神经网络应用到了医疗中。利用大量病例信息和医学影像对人工智能进行训练,部分特殊病例的人工智能诊断准确率已经超过人类。

外科医疗机器人都配有摄像机,外科医生通过机器人视角的视频指导手术,且摄像头可以记录每次手术的三维视频。这些图像资料提供了手术的详细路线图,显示了手术是如何进行的。

这些影像资料还可以帮助新外科医生了解如何使用这些机器人,并且可以通过深度神经网络分析外科医生是如何引导机器人进行手术的,从而训练机器人自己处理任务。

这就是伯克利研究人员实现机器人自动化的方式,该机器人基于双臂机器人The da Vinci Research Kit。这套系统每年帮助外科医生执行超过100万例手术。Fer博士和他的同事收集了机器人在人类控制下移动塑料环的图像。然后利用深度神经网络从这些图像中学习,确定抓住塑料环、在爪子之间传递塑料环并将其移动到新塑料柱的最佳方法。

目前,这套系统还并不完美。当系统告诉机器人移动位置时,机器人往往会产生零点几毫米的误差。使用损耗会影响机器臂内部分金属电缆,使机械臂的运动无法达到所需的精确度。

在操作过程中,人类可以下意识地弥补机械误差,但自动化系统还不能做到这一点。这也是自动化技术的主要问题之一,它们很难应对变化和不确定性。到今天,自动驾驶汽车也没有被广泛使用,正是因为自动驾驶的灵活性还不足以使他们处理日常世界中的全部复杂交通状况。

加州大学伯克利分校工程学教授Ken Goldberg、硕士生Samuel Paradis、博士生Brijen Thananjeyan以及Minho Hwang博士(左起)正在研究the da Vinci Research Kit的训练实验

加州大学伯克利分校工程学教授Ken Goldberg、硕士生Samuel Paradis、博士生Brijen Thananjeyan以及Minho Hwang博士(左起)正在研究the da Vinci Research Kit的训练实验

伯克利团队正在建立一个新的神经网络,分析机器人的错误,并了解机器元件的损耗与机器人精度损失的关系。伯克利团队成员Brijen Thananjeyan说:「这套系统了解机器人关节如何随着时间的推移而损耗。一旦自动化系统能够解释这一变化,机器人就可以像人类操作员一样抓取和移动塑料环了。」

关于人工智能在外科机器人中的应用,很多其他实验室正在尝试不同的方法。约翰·霍普金斯大学的研究员Axel Krieger在2016年利用猪进行的缝合实验中,研究了一种移动部件更少的自动化机器人手臂,其行为比伯克利团队使用的机器人一致度更高。

伍斯特理工学院的研究人员正在开发的机器人,则可以使外科医生在执行特定任务时更好地指导操作例如肿瘤的穿刺活检和伽玛刀脑瘤切除。伍斯特的研究员Greg Fischer表示:「这就像一辆汽车,车道跟踪是自动的,但你仍然可以控制汽油和刹车。」

外科机器人或将助力远程医疗

很多科学家认为,要真正把外科手术机器人应用到实践中,还有很长的路要走。移动塑料环是一回事,在人体内进行切割、移动和缝合操作又是另一回事。

「在实际操作中,会有很多意外情况,相机角度发生变化时会怎样?摄像头被烟雾或液体遮挡时又该如何?」德克萨斯大学奥斯汀分校的副教Ann Majewicz Fey对目前人工智能在实践中的应用持保留态度。

在可预见的未来,自动化的外科机器人将与外科医生一起工作,而不是取代他们。但即使这样,也将对我们的医疗技术产生深远的影响,Fer博士举例说,医生可以在远大于手术室宽度的距离内进行手术,也许从几英里或更远的地方,帮助远处战场上的受伤士兵。

受到网络带宽和数字技术制约,远程实施手术还无法马上解决信号延迟问题,但是如果机器人可以独自处理一些任务,那么远程手术可能会变得更可行。医生可以远程给机器人发送一个实施手术的计划,后边的操作则由机器人来完成。

同样的技术对于更远距离的远程手术至关重要。Fer说,「当我们开始在月球上操作时,外科医生可能真的需要这些全新的医疗机器人。