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脑中机器人

卡尔加里—当哈维·库欣(Harvey Cushing)和威廉·博威(William Bovie)于1926年引入电灼(用高频电流封闭血管或制造切口),他们的创新改变了神经外科学。对于像大脑这样精致的器官,手术的精密度要求极高,医疗技术和手术艺术的结合刺激了该领域的进步。

神经外科的进步永远追求简约。与其他外科领域一样,手术过程干预肢体越少,对病人生活质量的副作用就越小,病人恢复正常活动所需的时间也越短。

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这一点在敏感神经手术中愈加重要。摆弄直径一二毫米的小血管,或在不伤害组织的情况下切除脑部肿瘤,这样的任务需要手术显微镜和多态成像工具(multimodal imaging tool)等技术,以补充完善外科医生的技能、增强他们的能力。

更进一步,我们可以让人工控制机器人进入大脑。机器人能以比人类更高的精度和准确度完成重复工作,且不会出现肌肉疲劳。它们还可以定期升级,无缝加入各种新功能。

机器人所缺少的是人类大脑的执行能力。理解——并据此反应——在手术期间可能出现的大量变数要求极高的运算能力,外科手术机器人的目标是将人类经验和决策能力与机械化的准确度结合起来。

这个方向的一个例子是我的卡尔加里大学研究团队和MacDonald, Dettwiler and Associates工程师联合研发的神经之手(neuroArm)。神经之手实际上有两只手,外科医生可以在远端工作站操纵它们,使用各种外科手术工具。

工作站提供各种数据——包括磁共振成像(MRI,手术区域的三维图像)、声波信息以及工具-组织互动反馈而得的可量化触感(或触觉)——让外科医生通过影响、声音和触摸体验手术。由于人类大脑根据感觉输入变量决策——当然还包括经验——因此这些数据对于让外科医生在手术期间基于尽可能的充分信息做出决策来说至关重要。

MRI等技术有助于手术规划、切除控制和质量保证。磁共振兼容机器人能带来实时影像,提供关于解剖结构和手术期间大脑相对外科病理学的变化,从而实现风险最小化。

机器人接收MRI,并提供触感反馈,因此电子高速公路(electronic highway,或称外科手术通路,surgical corridor)可以在手术之前建立,“禁通”区亦然。工具操控因此只在事先确定的通道中进行,防止对大脑产生意料之外的损伤。

此外,机器人手术具有超过无辅助人类能力的潜力。按比例动作缩放——该技术让机器手在小得多的规模上精确模拟外科医生的动作——将能使外科医生操纵肉眼无法察觉的组织。围着更小规模微型外科手术工具和高性能相机和显示器的发展,细胞层面的手术将成为可能。

另一个对神经外科具有重要影响力的相关领域是虚拟现实(virtual reality)。虚拟现实基于模拟技术,它让外科医生在数字环境中预演手术,并可将外科手术机器人也纳入其中。在给病人动手术之前勾画复杂情形和实践罕见手术毫无疑问能带来更好的手术表现,改善治疗结果。

虚拟现实还能为医科学生提供范围更广的体验,量化医科学生的表现,从而增强手术训练。手术台上的外科医生只有通过实地感受才能了解自己所施加的力道的大小;而手术模拟器可以测量力道大小,并在受训者用力过大或不足时给出提示。

此外,教师也能够编写控制情景,以评估受训者是否能处理好挑战性环境。在没有风险和新成本的情况下重置和重试外科手术的能力能显著增强神经外科手术训练。毕竟,熟练才能生巧。

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平心而论,虚拟现实仍是相对年轻的技术。逼真的神经外科手术模拟——必须计算大量变量和潜在结果——开发难度仍然极大,因此虚拟现实尚未在该领域中大量使用。但在并行计算能力的发展的刺激下,手术模拟技术在快速进步。而随着模拟变得越来越逼真,它们的培训价值也在增加。

人类外科手术经验与机器和计算机化技术的结合正在推动神经外科进步,机器人手术是人机互动大有裨益的重要模式。在这一模式中加入虚拟现实,就得到了未来神经外科学的轮廓——在未来,这一学科将取得新的卓越高度。