我們的心臟，一刻不停地跳。

　　文/邊策栗子

　　來源：量子位（ID:QbitAI）

　　為心臟做手術(shù)也就危機四伏。比如，治療心臟瓣膜的問題的導(dǎo)管插入術(shù)，要求身為醫(yī)生的人類，手動把導(dǎo)管送到心臟瓣膜的漏點。

　　手動導(dǎo)航的操作，受到心跳的強烈干擾，稍不小心就會出現(xiàn)差錯。

　　△手動導(dǎo)航

　　但現(xiàn)在，哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員，把導(dǎo)管變成了機器人，可以在心臟里自動駕駛。

　　完全不用人類醫(yī)師導(dǎo)航，機器人能自己找到心臟瓣膜的漏點。隨著心跳，自動駕駛的道路時刻在變化，可機器人依然能準(zhǔn)確抵達(dá)目的地。

　　在整個星球上，這還是第一次。

　　他們的機器人導(dǎo)管，已經(jīng)在跳動著的豬心臟里測試過，秒速抵達(dá)，表現(xiàn)媲美人類醫(yī)生。

　　那么，在心臟這樣復(fù)雜的環(huán)境里，機器人是怎么找到路的？

　　科學(xué)家說，是蟑螂和老鼠給了他們靈感。當(dāng)然，也少不了機器學(xué)習(xí)算法。

　　如何直達(dá)心臟瓣膜

　　一方面，機器人具有計算機視覺處理能力，另一方面還有蟑螂觸角一樣的觸覺，結(jié)合這兩種感知能力，它在心臟內(nèi)自動游走，尋找心臟瓣膜泄漏的位置。所以科學(xué)家們把它叫做“觸覺視覺自主機器人”。

　　心臟微創(chuàng)手術(shù)需要在皮膚上開孔，然后由醫(yī)生插入導(dǎo)管，靠經(jīng)驗手動操作找到手術(shù)位置。而觸覺視覺自主機器人為醫(yī)生省去了手動導(dǎo)航的步驟。

　　觸覺

　　為了讓導(dǎo)管變成體內(nèi)自動駕駛的機器人，研究人員除了在前端加入攝像頭外，還加入了“光須”（optical whisker）。

　　它就像蟑螂用觸角、老鼠用胡須探測物體一樣，通過力的大小來計算導(dǎo)管前端與心臟內(nèi)壁的距離。機器人也可以在心臟里找到自己的方向。只要一直沿著“墻”走。

要想知道機器人在心臟內(nèi)的運作方式，我們先要介紹它與心臟的兩種接觸模式：

　　1、連續(xù)接觸模式：導(dǎo)管與心壁平行，由于導(dǎo)管的柔韌性，它在心臟跳動時一直與心壁保持接觸。

　　2、間歇接觸模式：導(dǎo)管與心壁垂直，此時前端正對心臟內(nèi)壁組織，通過接觸力的大小來計算距離。

　　在上面的過程中，患者不必?fù)?dān)心探測器會損壞心臟，因為它與心臟瓣膜和心室內(nèi)壁接觸的力量很弱，和黃油沾在手上的力差不多。

　　機器人的觸覺依靠的是導(dǎo)管前端與心壁的接觸力，以及占空比，即導(dǎo)管和組織接觸的時間在整個心跳周期中的比例。

　　實驗表明，接觸力的大小與占空比在很大一段范圍內(nèi)是成正比的。

　　在間歇接觸模式下，機器人也會控制接觸力不至于過大，機器人導(dǎo)管尖端在與心臟組織接觸后會同步移動，防止心臟收縮時被導(dǎo)管刺傷。

　　視覺

　　除了觸覺，自動導(dǎo)航機器人也要用到視覺。

　　研究人員設(shè)計了一種基于機器學(xué)習(xí)的圖像分類器，可以區(qū)分血液、心室壁組織和生物假體主動脈瓣膜。該算法基于感興趣的特定特征出現(xiàn)的次數(shù)，確定這些特征的數(shù)量和圖像類別之間的關(guān)系。

　　用一組手動標(biāo)記的醫(yī)學(xué)圖像對算法進行訓(xùn)練，2000 張照片的只需訓(xùn)練 4 分鐘即可完成。將所得的模型用在 7000 張測試圖像中，正確率能達(dá)到了 97%。

　　當(dāng)觸覺視覺傳感器橫向壓在組織上時，組織會在傳感器尖端周圍變形，覆蓋其視野的一部分。導(dǎo)航算法識別圖像中組織比例，再調(diào)整導(dǎo)管的位置。

　　用于視覺算法處理、和導(dǎo)管控制的電腦并不需要太高配置。其中用于導(dǎo)管運動控制的電腦配置為 Intel Core Quad CPU Q9450@2.66 GHz，4GBRAM，另一臺用于從觸覺視覺傳感器獲取和處理圖像的電腦配置為 Intel Core i7-6700HQ@2.6 GHz，16GB RAM，圖像處理速度完全跟得上相機幀率（45 幀/秒）。

　　表現(xiàn)和專家相當(dāng)

　　為了評估自動導(dǎo)航算法，研究人員比較了自動導(dǎo)航和遠(yuǎn)程操作（領(lǐng)域內(nèi)專家用操縱桿控制）和手動控制（手持導(dǎo)管）三種不同手術(shù)方式的結(jié)果。

　　在 90 次實驗中，自動導(dǎo)航成功了 89 次。自動導(dǎo)航比遠(yuǎn)程操作速度更快、方差更小，但是比手動控制要慢。

　　參與實驗的研究人員表示，現(xiàn)在他們已經(jīng)在豬的身上實驗成功，進入手術(shù)室還需要幾年的時間。

　　有什么意義呢

　　首先，就像開頭提到的那樣，受到心跳的干擾，手動導(dǎo)航并不簡單。

　　除此之外，手術(shù)是個辛苦的過程，需要全程保持動作的高度精確。

　　如果分給機器人一部分任務(wù)，醫(yī)生便可以專注在更加關(guān)鍵的手術(shù)步驟上，避免疲憊造成的動作變形，保證手術(shù)質(zhì)量。就像飛機的自動駕駛，解放了飛行員那樣。

　　約翰霍普金斯大學(xué)的 Russ Taylor 教授，也是醫(yī)療機器人領(lǐng)域的專家，他說：這是一項重大的成就。

　　一旦“自動駕駛”導(dǎo)管的技術(shù)成熟、投入使用，可能給心臟外科手術(shù)帶來不小的變革。

　　另外，雖然現(xiàn)在這項研究是用于心臟，但“在人體里自動駕駛”的做法，還可以有許多其他用處。

　　團隊說，腦血管，氣道，胃腸道，腦室系統(tǒng)等等，不同部位的病癥，都可以用“沿著墻走”的方法，來做微創(chuàng)手術(shù)。

　　即便是沒有血液流動的部位，觸覺×視覺的分析方法也不會失色：依然可以用其他類型的傳感器，來感知組織接觸的情況，然后成像。

　　領(lǐng)隊 Pierre Dupont (簡稱杜邦) 博士有個宏遠(yuǎn)的設(shè)想：

　　有一天，全世界的自動駕駛手術(shù)機器人，可以把數(shù)據(jù)都匯集起來，一起讓機器人變得更強大。就像自動駕駛車那樣，地球每個角落的數(shù)據(jù)都能傳回特斯拉，幫技術(shù)團隊不斷優(yōu)化算法。

　　最復(fù)雜卻最簡單

　　自動駕駛的心臟導(dǎo)管，是在一個復(fù)雜團隊的培育之下誕生的。

　　論文作者有 10 位，來自世界各地：美國的哈佛醫(yī)學(xué)院附屬的波士頓兒童醫(yī)院，法國的斯特拉斯堡大學(xué)，以及寶島的臺北榮民總醫(yī)院。

　　他們之中，既有醫(yī)學(xué)博士，也有擅長機器人控制技術(shù)的研究人員，還有負(fù)責(zé)視覺算法的攻城獅。

　　領(lǐng)隊杜邦博士說：

　　這是我做過的最難的項目，機器人身體里的程序總是要重寫。我還記得，程序猿走出實驗室的時候，已經(jīng)累到完全沒力氣了。

　　才終于實現(xiàn)了心臟里的自動駕駛。

　　雖然，來時路途異常艱辛，但杜邦博士還是覺得：

　　技術(shù)是最簡單的部分。要讓更多的人用上這樣的機器人，政策才是最重要的。

　　論文傳送門：

　　https://robotics.sciencemag.org/content/robotics/4/29/eaaw1977.full.pdf

總結(jié)

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