骨科机器人助力新技术革命

田 伟

(中国工程院院士、北京积水潭医院首席科学家、骨外科专家、主任医师)

在上个世纪50年代以前,骨科还基本上不是一个纯粹的手术科室,大部分的疾病是保守治疗,在上个世纪五六十年代发生了第一次骨科相关的技术革命,就是各种的内固定、人工关节和人工材料,彻底改变了骨科治疗的方式。我记得即使是到了比较晚,像1983年我毕业之后的那一段时间,我们保守治疗的病人仍然是很多的,我们住院的病人一住都是几个月,是很长的。但是这场革命很快波及到我们国家,因为有改革开放,我们迅速的吸纳了世界上的这些先进技术,今天因为有了那一场革命,我们的骨科住院时间大大缩短,一个骨折患者做完手术第二天就可以出院了,很多的微创手术当天就可以下地行走,要想想几十年前得躺在床上三四个月,这是飞跃的发展。在这之后我们还能不能有更新的一场进步呢?这就牵涉到我们今天的主题。

其实说到机器人,大家就会想很多很多,这个东西还真的就是想出来的,它一开始是从文学幻想,当然影响到现代机器人的,我们只能说一个比较著名的近代作家叫阿西莫夫,一个俄罗斯人,大家知道俄罗斯人是很厉害的,在科技、文学等很多方面。他到了美国发表了一系列科幻小说,都是关于机器人的,其中比较有代表的就是《我,机器人》,里边主要描写了他想象的未来机器人能够在这个世界上做很多很多事情,并且给机器人制定了很著名的三定律,就是机器人不能对人产生危害等等主要的内容,对近代影响很大。

近些年,互联网、大数据、人工智能等前沿技术逐渐渗入到骨科医学的方方面面,推动了新时代新骨科的诞生与演变,同样也赋予传统骨科新的理念、新的内涵、新的范围、新的诊疗手段与康复模式。这些无论对于骨科医生还是骨科患者,都会带来深远影响。计算机科学与骨科学相结合形成了新兴交叉学科——数字骨科,它涉及人体解剖学、立体几何学、生物力学、材料学、信息学、电子学及机械工程学等领域的知识。具体包括:骨科有限元分析、骨科数字解剖(三维重建)、骨科虚拟仿真手术、骨科快速成型技术、骨科逆向工程技术、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术、术前规划、计算机辅助骨科导航手术、骨科远程手术及骨科机器人手术等。这些新技术已逐步在骨科各亚专科得到了广泛的应用。新理论与新技术催生了临床专业划分的变革,使之更合理、更有效率。事实上,一部分比较成熟的人工智能及其相关技术(包括智能化的计算机软件和机械电子设备)已经开始进入或探索进入临床应用,如计算机辅助检测、辅助诊断系统、穿戴设备和遥感遥测系统、生物信息学技术等。

从医学发展史的角度看,科技进步和新型工具的使用往往会引发技术进步甚至技术革命,形成新的学科甚至新的业态,由此推动生产力的发展。在全球骨科疾病发病率逐步提高的大背景下,精准治疗是骨科手术未来方向。人工智能:为骨科注入生命力。人工智能具有和人堪比的学习、创新能力,通过神经网络系统、软件算法等实现推理和决策能力,可应用于很多临床情景中。

医学影像资料的检查与骨科疾病的诊断关系比较密切,临床医生要解读大量病人的CT、磁共振成像(MRI)以及X线等光学影像,极大地考验人类的智力和体力。如今阅片机器人的阅片结果已达到专业技术水准,且阅片速度比人类快。人工智能可以应用图像识别技术以及海量经验数据技术,通过学习经验知识来辅助骨科医生进行辅助处理,提高骨科医生的工作效率,并且可以减少某些疾病的误诊和漏诊。

像人工智能的学习能力辅助骨科医生一样,人工智能的学习能力也可辅助骨科护理人员。将护理知识、护理案例以及护理经验集中汇总到人工智能系统中,就能建立骨科病人护理大数据。当病房收治新病人,输入新病人的病例特征后,人工智能就可以快速地为护理人员推荐出最佳的护理方案。

随着精准医学的不断发展,骨科机器人引起了人们的广泛关注。凭借智能、精准等技术特征,机器人在实际的骨科应用中凸显优势,极大改变了传统骨科手术依靠手术医生的专业知识和经验的状况,并且大大改变了操作不精准、损伤大的情况,达到了外科手术微创化、精准化、效果优的目的。

目前,骨科机器人已经广泛应用在脊柱外科、膝关节置换、髋关节置换等手术中。国内多家大学、多位学者、多家公司为此均进行了一系列智慧骨科产业化探索,国产骨科手术机器人在高难度骨科手术自动导航技术上成功实现了跟跑、并跑,正逐步迈向领跑。

其中,天玑骨科手术机器人是唯一以“国际原创”入选科技部首次发布的《创新医疗器械产品目录(2018)》的临床治疗设备。同时,还创建了骨科机器人手术临床指南、诊疗规范,代表中国企业首次参与手术机器人IEC国际标准制定。

有了机器人我们就可以尝试让它的扩展,正好我们国家在5G方面是世界领先的,所以我们就在这样的条件下跟中国电信合作做了一个创意,叫one tomany的技术,我们同时在北京能够操控不同地方的两台机器人同时两台手术,一个是烟台,一个是嘉兴,是通过远程5G来实现的。嘉兴那个,它是一个椎体的骨折,我们在北京做了骨折的手术设计,然后我们通过北京来操控机器人,把这个螺钉,这是安装好的状态。这是另外一个,不但骨折,还出现了压缩和畸形,螺钉需要有一个特殊的位置的设计,我们在过去临床上这种特殊位置的设计是不好达到的,实际上我们看到机器人它就能够完全按照你医生设计的角度打到那个位置。我们还尝试了一对三,一对三就稍微有点困难,说实在的一对二我觉得还是不错,一对三勉勉强强能做下来。

到目前为止国际上有很多5G的手术,但多数都是一种展示,也有一些领导说我们搞5G远程手术说得挺热闹,实际上是没有实用性的,还没有达到这一点,但是我们是能够做到了它的实用性,我们不但有那样的展示,我们到现在为止远程5G平台已经完成了100多例了手术,它相对可以比较常规的进行。

当然机器人发展过程中也可能会遇到一些危机,就像阿西莫夫讲的,他写小说都能写出来可能会有危险,未来机器人我们要想避免这些危险,一个要坚持它对医学的正向帮助,而不是在我们现在的阶段就去追求替代医生,我们不是没有这样的常识,像沃司他们想替代一个肿瘤医生,从诊断到治疗方案都是由机器人做,当然最后的结局很悲惨,实际上是做不到的,因为现在人工智能还是非常低的一种水平,但是如果像我们成功的案例那样,你想办法帮助医生解决一些他解决不了的问题,那就有很大的帮助。但是除了这个方面之外,我们还要注重医学的伦理学、法学、经济学、社会学方面,因为一个新事物出来以后,不像生产线上的机器人,它毕竟和人打交道的,它一定会出现一系列复杂的社会问题,必须要有前瞻性的去研究、去严肃的对待,不然的话一旦产生了问题,就像阿西莫夫他担忧的那样,就很麻烦了。

再有就是这种高精尖的技术有一个问题,你必须有更严格的培训操作、设备维护和安全管控,才能避免机器人的恶性事故,你像达芬奇我们老说怎么好怎么好,其实世界上报道了很多关于达芬奇的恶性事故,机器人如果在广泛的推广使用中你没有很严格的去进行品质管理的话,它就会出现甚至比医生还严重的事故,这是值得我们警惕的。

综上所述,新技术革命为传统学科带来了新的冲击、新的革命,必然蝶变、再造新的学科链;新技术革命在新时代必然重塑、诠释新的骨科学,以适应新技术革命浪潮,推动学科始终处于科技发展的最前沿。