边桂彬：眼科手术机器人是医生更亮的眼、更稳的手

8月22日，由北京市政府、工业与信息化部、中国科学技术协会指导，亿欧公司主办的“2019世界机器人大会——大湾区机器人生态协同发展论坛”在北京市亦创国际会展中心成功举办。

本次论坛邀请了中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室研究员边桂彬、拓斯达董事/机器人事业部总经理张朋、高新兴机器人CEO柏林、蓝胖子机器人CEO邓小白、朗驰欣创总经理赵松璞、势能资本创始合伙人黄俊、潜行创新联合创始人习志平、越疆科技创始人刘培超、德联资本合伙人肖然、合创资本副总裁林恩峰，众多嘉宾围绕大湾区机器人生态发展问题展开了分享与探讨。

论坛当天，边桂彬研究员带来了题为《显微手术机器人研究进展》的演讲。该演讲围绕显微外科手术机器人的研究背景、国内外研究现状、应用场景和发展趋势四个方面，系统介绍了当前显微手术机器人的研究进展。边桂彬研究员在演讲中表示，显微外科手术机器人可以在人机交互中让医生了解到更多的手术信息，并且能够实现比人手更精准的手术操作。

以下为亿欧整理的边桂彬演讲全文

谢谢各位朋友，我今天跟大家分享的是显微 手术机器人 的研究进展。我是中科院青年创新促进会的会员，青促会由中科院年轻的群体组成，入会的都是35岁以下的科研工作者，而我目前在青促会北京分会负责产业化的工作。

我今天的报告主要包括两个部分，一个是显微外科机器人的研究背景，另一个是国内外的研究进展，其中也包括我自己的研究工作。

手术机器人应用前景广阔

外科手术中，有一类手术是在显微镜下做的， 眼科手术就是其中一个很重要的应用。 在手术场景中，医生需要在显微镜下做一些精细的手术操作，而操作精细正是眼科手术的一个重要特点。

举一个极限的例子：眼底血管发生酸涩应该怎么办？现在同仁医院对这种病症还没有有效的治疗办法。如果我们心血管或外周血管有问题，可以通过放支架解决。但是对于眼底血管，我们目前还束手无策。

显微手术操作力比较小，操作姿势受限。对于40岁以上的医生来说，颈椎病、腰椎病和他们的职业相关性是比较强的。同时，医生手术操作的学习曲线也比较长，操作技巧比较高，这是一些手术的共性问题。

怎么利用机器人技术、人工智能技术降低操作难度，是我们要完成的工作。

另外，神经外科是显微手术的另一个重要领域。神经外科面临着一个主要的问题是对颅内肿瘤进行精准的操作，比如精准切除。如果肿瘤切除不彻底，会带来肿瘤继续生长的问题。

除了眼科、神经外科，很多科室做外科手术的时候，小血管吻合和神经吻合也是一个重要的应用领域。比如平时遇到的划伤、刀伤等创伤可能在手术和康复完以后出现一些感知功能和之前不太一样的问题，原因就是小血管没有吻合。

这是现在医生比较难以完成的事情，因为小血管的神经吻合比较耗时耗力。在这个背景下，国际和国内在进行的研究路线都是机器人在医疗外科上面的应用。

美欧中在手术机器人研发和产业化的探索

我最初是从2007年开始做 医疗机器人 的。比较早的文献显示，在1985、1986年的时候，工业机器人用于神经外科的立体影像研究。因为医疗市场是需要培育的，所以到2007、2008年的时候，手术机器人才开始大卖。

根据我的了解，北航是国内比较早做手术机器人的研究机构，最早用于神经外科。，国内研究机构开发出跟达芬奇功能比较相似的腹腔内手术操作机器人。此外，中科院自动化所做的血管介入手术机器人，实现放支架和球囊的手术操作，这个手术因为在放射环境中完成，所以年轻未生育的女性是不允许进入手术室的。解决方案就是在手术室放上一个机器人，让医生可以用远程遥控来进行操作。

如果按照医疗科室来看，现在各个科室都有医疗机器人的科研行为。 我个人主要想分享国际上在显微外科领域的一些进展。

美国约翰霍普金斯大学的医学是比较强的，它的手术机器人XYZ结构并不复杂，主要用的医疗机器人是末端灵活的操作机构。它把光纤传感器布置在手术机械的末端来进行精确的感知，从而扩展人手的感知能力。因为医生在操作的时候75%的操作力是感觉不到的。用上传感器之后，医生的感知能力就会到毫牛级。在另一个例子中，霍普金斯采用了双臂机器人，把显微影像接到3D上，使系统更完善一些。

在产业化进展上，欧洲的速度更快一些。 欧洲几家单位联合在牛津大学附属医院开展临床研究，并且在2016年9月完成了首例临床实验，预计近一两年就可以拿到医疗器械证。他们的研究是针对眼底黄斑前膜的剥离。另外，这个机器人还可以实现一些精准操作，比如把基因药物注射到视网膜下。这类操作是现在用人手很难完成的操作。如果拿一根针穿线，在显微镜下放大到十几倍，人的手都是颤抖的。用机器人把操作颤抖的频率抑制掉，就能让医生做更精准的治疗。

国内这一领域的工作最早是北航，在2003、2004年做的眼科机器人。他们在这一块做的是视网膜的搭桥手术。两三年前中科院自动化所牵头启动这项研究工作，我们的解决方案是把显微镜的影像高速传输在3D屏幕上，在显示的立体影像上做场景理解、器械跟踪和软组织跟踪等功能，是偏计算机和自动化来实现的，最终可以实现医生的远程操作。

手术机器人已经可以完成多种手术操作

各种各样的手术器械上面布置了精密的传感器，可以感知前端的手术操作微小的操作力。我们构建了一个机器人系统，现在已经有最新的样机。我们的手术机器人可以完成青光眼微导管递送、白内障连续环形撕囊、眼底黄斑前膜剥离、视网膜血管注药等多种手术操作。

我们做的机器人通过一体化手术器械设计，可以完成的手术种类还是比较多的，也提高了手术机器人的自主化水平。 《Science》的机器人子刊把医疗自主化水平分为六个等级——最低的没有智能，最高的则不需要任何医生，由机器人完全操作。我们现在做的工作，就是把机器人提升一到两个自主化水平，让手术更精准，让新手医生快速学习到专家医生的手术技能。

手术机器人可以规范手术流程和操作

怎么样提高手术机器人的自主化水平，在术中追踪软组织的位置、实时跟踪手术器械的位置，在人机交互中让医生了解到更多的信息，是我们在做的工作。 在各种阻挡下，我们以虹膜为标记，实时追踪到眼球的位置。我们可以在显微影像中对手术器械进行实时追踪：知道是哪些器械并对器械位姿进行评估，还可以把实时位置告诉机器人，做一些精准的辅助操作和导航。以上都属于计算机智能识别的研究领域。

我们国内医生的操作水平是非常高的，但是国内每个专家医生有他自己操作流程，有时按照规范流程，有时候则不是那么规范，手术评估的意义就非常重要。眼底血管分割、视盘分割、黄斑定位等流程，我们可以相互学习，提高识别精度。约束控制是我们要实现的最终目的，相当于机器人跟操作的医生有一个实时手把手的协作。因为有时候医生在操作的时候，即使是专家医生，也不会每次都完美。所以我们会把这个专家最好的操作控制放在约束控制当中去。

主任医生在带徒弟的时候，有很多描述都是定性的，没有一个定量化的标准。我们做多模信息融合，通过多种传感器采集医生的操作数据，从这些数据当中提取医生操作技能和操作编号，就不用医生口口相传了。

现在显微外科手术使用的显微镜也不是一个最优的显微镜，如果用多个物镜，就可以跟3D显示结合起来，。我们希望能把这些技术用到神经外科中去，因为神经外科的肿瘤识别是一个很大的难题。现在临床上在用的、精准识别肿瘤的药物只有一种，药效持续时间只有半个小时。但是，对于神经外科来说，一台手术基本上是三个小时左右，国家纳米中心研究的纳米药物可以实现12个小时以上高对比度呈现，在手术中可以通过荧光和温度感知，去精准识别肿瘤组织和正常的组织。我们在做的系统就是通过机器人去实现精准的肿瘤切除操作。

我们现在已经获得了不少项目的支持，合作的医院有北京同仁医院、天坛医院、中山大学眼科中心、郑大一附院等。2007年我开始做手术机器人，最早是在穿刺、光动力治疗领域。现在我亲自来牵头开展眼科手术机器人的研发工作。

今天我就汇报到这，谢谢。

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