外科手术中的自主性不再是科幻——它已经开始在全球的实验室和手术室中成形。虽然机器人辅助在某些手术中已经变得常见，但下一个前沿是自主手术，机器人可以在最少的人类干预下执行手术的部分操作。但有一个问题：自主性依赖于持续、准确且内容丰富的数据作为基础。对于长而灵活的医疗器械而言，形状感知是提供这一基础的唯一方法。
这是我们在系列文章“每个柔性医疗器械都将具有形状感知”中的第三篇。在我们的第一篇文章中，我们探讨了形状感知如何实现术前规划和智能工具选择。在第二篇中，我们展示了它如何驱动人工智能引导的手术。现在，我们将转向下一步：如何结合术前洞察与术中反馈，实现真正的手术自主性。
外科手术自主化的推进
自主机器人技术已经引起了广泛关注。像AutoSurg、SS Innovations以及欧洲、美国和中国的研究团队正在开发平台，这些平台允许机器人在有限的人类指导下执行缝合、切割和血管导航等复杂操作。
2022年，约翰斯·霍普金斯大学的研究人员展示了一种能够对猪进行精细肠道吻合的自主手术机器人，其效果与专家外科医生相当。最近，中国团队报告了血管机器人在动脉内自主导航的进展——这是自主技术可能应用于介入心脏病学和血管内治疗的一个预示。
在医学之外，物流和制造业中的机器人技术已经展示了闭环反馈如何使机器能够动态适应不断变化的环境——这一原理现在也被外科手术所寻求利用。这种兴奋之情显而易见：自主性可以扩展外科医生的技能，减少变动性，并扩大获得先进护理的机会。但只有当机器人具有持续的情境感知时，这才会成为可能。
柔性机器人面临的挑战
像在骨科或腹腔镜手术中使用的刚性机器人平台，已经利用自主性来完成诸如植入物对齐或缝合放置等任务。这些系统受益于固定的几何形状和直接的视觉反馈。
然而，柔性器械则提出了不同的挑战。导丝、导管、支气管镜和连续体机器人在软组织内部弯曲、扭曲和打结。在没有完全可视的情况下，机器人无法可靠地预测器械的位置和姿态，更不用说它与组织的互动情况了。
传统方法不足
1. 透视只能显示器械的二维图像，并且会使患者和工作人员暴露于辐射中。
2. 电磁（EM）跟踪只能追踪几个点，并且容易受到周围电磁场的干扰。
3. 阻抗跟踪仅限于特定用途，如电生理导管。
这些方法都无法提供柔性系统安全自主所需的连续、全长、实时几何形状。
形状感知为何至关重要
通过将一根头发丝般细的光纤嵌入器械中，它能够连续测量器械全长的弯曲和扭转，实时重建其三维几何形状——无需外部传感器或辐射。对于自主机器人来说，这成为了使自主性成为可能的反馈回路。灵活的手术机器人需要形状感知来“看到”其器械的位置。姿态和运动方式。
凭借这些，机器人可以：
1. 检测到循环或打结并自动纠正。
2. 在目标位置和所需呈现的姿态过程中保持稳定，即使患者移动或呼吸。
3. 执行预定义的导航策略，并进行自适应修正。
4. 进行安全检查，如果检测到意外阻力或变形则停止运动。
没有这些数据，柔性机器人的自主性仍然是不安全的。有了这些数据，自主性就成为了一个可扩展的现实。
案例研究和早期证据
研究已经指向了这个方向：
蛇形机器人用于神经外科和内窥镜手术，已通过嵌入式形状传感器实现复杂路径的实时导航。
血管导航机器人在临床前测试中依赖连续反馈来自主引导导丝。虽然当前原型通常使用荧光透视或电磁跟踪，但形状感知提供了一种无辐射、可扩展的替代方案。
全球实验室中的连续机器人（例如用于耳蜗植入或软组织切除）正在探索光纤传感以在视觉受限的环境中保持闭环控制。
信息很清楚：如果没有可靠的灵活器械位置和姿态反馈，手术自主性是无法安全地推进的。形状感知填补了这一空白。
分层构建自主性模块
自主性并不是凭空产生的，而是建立在一系列能力层级之上的：
1. 术前规划与智能器械选择——从数千个先前的手术中学习，以选择最佳器械和方法。
2. 人工智能引导的手术——实时协助医生提供导航建议和安全警报。
3. 自主手术——机器人在连续形状感知的指导下独立执行手术的部分步骤。
每一层都使下一层成为可能。形状感知，提供器械实时全长数据，将术前规划、术中引导和手术自主性紧密联系起来。
形状感知的重要性
自主灵活的手术机器人不会取代医生。相反，它将扩展医生的技能，减少疲劳，并保证标准化的质量。在支气管镜检查、血管内手术和胃肠病学等专业领域，器械导航常常是最难的部分，手术机器人的自主性将使医生能够专注于策略和决策，而机器人则负责处理手术中的精确操作。
对于患者来说，这意味着更安全、更可预测的手术。对于医疗系统来说，这意味着更高的效率和可扩展性。对于机器人领域来说，这代表了下一次伟大的飞跃。
展望未来
这只是我们探索形状感知未来之旅的第三步。预先的术前规划和人工智能引导的手术为这一过程奠定了基础。形状感知，在柔性机器人中的自主手术使从“愿望”到“必然性”的转变成为可能。但故事并未结束。最后一部分——也是我们下一篇文章的主题——是自动化文档记录。当每个步骤都可以自动记录时，我们完成了数据采集的闭环，使手术不仅变得更智能，而且无缝地融入更广泛的医疗系统中。
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