哈佛在跳動的心臟裏實現“自動駕駛”：全球首例，秒速抵達漏洞所在，媲美人類醫生_風聞

邊策 栗子 發自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

我們的心臟，一刻不停地跳。

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

手動導航的操作，受到心跳的強烈干擾，稍不小心就會出現差錯。

△ 手動導航

但現在，哈佛醫學院的研究人員，把導管變成了機器人，可以在心臟裏自動駕駛。

完全不用人類醫師導航，機器人能自己找到心臟瓣膜的漏點。隨着心跳，自動駕駛的道路時刻在變化，可機器人依然能準確抵達目的地。

在整個星球上，這還是第一次。

他們的機器人導管，已經在跳動着的豬心臟裏測試過，秒速抵達，表現媲美人類醫生。

機器人登上了新一期的Science Robotics子刊。

那麼，在心臟這樣複雜的環境裏，機器人是怎麼找到路的？

科學家説，是蟑螂和老鼠給了他們靈感。當然，也少不了機器學習算法。

如何直達心臟瓣膜

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，結合這兩種感知能力，它在心臟內自動遊走，尋找心臟瓣膜泄漏的位置。所以科學家們把它叫做“觸覺視覺自主機器人”。

心臟微創手術需要在皮膚上開孔，然後由醫生插入導管，靠經驗手動操作找到手術位置。而觸覺視覺自主機器人為醫生省去了手動導航的步驟。

觸覺

為了讓導管變成體內自動駕駛的機器人，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、老鼠用鬍鬚探測物體一樣，通過力的大小來計算導管前端與心臟內壁的距離。機器人也可以在心臟裏找到自己的方向。只要一直沿着“牆”走。

要想知道機器人在心臟內的運作方式，我們先要介紹它與心臟的兩種接觸模式：

1、連續接觸模式：導管與心壁平行，由於導管的柔韌性，它在心臟跳動時一直與心壁保持接觸。

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

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

機器人的觸覺依靠的是導管前端與心壁的接觸力，以及佔空比，即導管和組織接觸的時間在整個心跳週期中的比例。

實驗表明，接觸力的大小與佔空比在很大一段範圍內是成正比的。

在間歇接觸模式下，機器人也會控制接觸力不至於過大，機器人導管尖端在與心臟組織接觸後會同步移動，防止心臟收縮時被導管刺傷。

視覺

除了觸覺，自動導航機器人也要用到視覺。

研究人員設計了一種基於機器學習的圖像分類器，可以區分血液、心室壁組織和生物假體主動脈瓣膜。該算法基於感興趣的特定特徵出現的次數，確定這些特徵的數量和圖像類別之間的關係。

用一組手動標記的醫學圖像對算法進行訓練，2000張照片的只需訓練4分鐘即可完成。將所得的模型用在7000張測試圖像中，正確率能達到了97%。

當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。導航算法識別圖像中組織比例，再調整導管的位置。

用於視覺算法處理、和導管控制的電腦並不需要太高配置。其中用於導管運動控制的電腦配置為Intel Core Quad CPU [email protected] GHz，4GBRAM，另一台用於從觸覺視覺傳感器獲取和處理圖像的電腦配置為Intel Core [email protected] GHz，16GB RAM，圖像處理速度完全跟得上相機幀率（45幀/秒）。

表現和專家相當

為了評估自動導航算法，研究人員比較了自動導航和遠程操作（領域內專家用操縱桿控制）和手動控制（手持導管）三種不同手術方式的結果。

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

參與實驗的研究人員表示，現在他們已經在豬的身上實驗成功，進入手術室還需要幾年的時間。

​有什麼意義呢

首先，就像開頭提到的那樣，受到心跳的干擾，手動導航並不簡單。

除此之外，手術是個辛苦的過程，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，醫生便可以專注在更加關鍵的手術步驟上，避免疲憊造成的動作變形，保證手術質量。就像飛機的自動駕駛，解放了飛行員那樣。

約翰霍普金斯大學的Russ Taylor教授，也是醫療機器人領域的專家，他説：這是一項重大的成就。

一旦“自動駕駛”導管的技術成熟、投入使用，可能給心臟外科手術帶來不小的變革。

另外，雖然現在這項研究是用於心臟，但“在人體裏自動駕駛”的做法，還可以有許多其他用處。

團隊説，腦血管，氣道，胃腸道，腦室系統等等，不同部位的病症，都可以用“沿着牆走”的方法，來做微創手術。

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，然後成像。

領隊Pierre Dupont (簡稱杜邦) 博士有個宏遠的設想：

有一天，全世界的自動駕駛手術機器人，可以把數據都彙集起來，一起讓機器人變得更強大。就像自動駕駛車那樣，地球每個角落的數據都能傳回特斯拉，幫技術團隊不斷優化算法。

最複雜卻最簡單

自動駕駛的心臟導管，是在一個複雜團隊的培育之下誕生的。

論文作者有10位，來自世界各地：美國的哈佛醫學院附屬的波士頓兒童醫院，法國的斯特拉斯堡大學，以及寶島的台北榮民總醫院。

他們之中，既有醫學博士，也有擅長機器人控制技術的研究人員，還有負責視覺算法的攻城獅。

領隊杜邦博士説：

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

才終於實現了心臟裏的自動駕駛。

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