▍失明患者新希望，在比發(fā)絲更細(xì)的血管上操作手術(shù)

視網(wǎng)膜靜脈阻塞（RVO）作為全球第二大致盲性視網(wǎng)膜血管疾病，給全球數(shù)千萬(wàn)患者帶來(lái)困擾。想象一下，要在平均直徑僅151微米的血管上做手術(shù)——這比頭發(fā)絲還細(xì)，而醫(yī)生的手部震顫幅度卻可達(dá)182微米。

傳統(tǒng)治療方法如抗血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子治療只能緩解癥狀，無(wú)法根除病因，患者需要反復(fù)治療，費(fèi)用高昂且有感染風(fēng)險(xiǎn)。而視網(wǎng)膜靜脈插管（RVC）手術(shù)雖然能直接清除血栓，但因?yàn)椴僮麟y度太大，很少有醫(yī)生能夠掌握。

近日，約翰斯·霍普金斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂刊《Science Robotics》上發(fā)表了一項(xiàng)突破性成果。他們開發(fā)出基于深度學(xué)習(xí)的自主視網(wǎng)膜靜脈插管系統(tǒng)，在離體豬眼實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了90%的成功率。即便模擬呼吸導(dǎo)致的眼部運(yùn)動(dòng)，成功率仍高達(dá)83%

這套系統(tǒng)的核心亮點(diǎn)在于機(jī)器人即可自主完成導(dǎo)航、接觸、穿刺等一系列超越人類生理極限的微米級(jí)操作，為RVO治療開辟了精準(zhǔn)、高效的新路徑。

在固定豬眼實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)將針體導(dǎo)航時(shí)間從57.45秒縮短至30.56秒穿刺及回撤時(shí)間從43.55秒壓縮至9.08秒。對(duì)比此前的機(jī)器人輔助手動(dòng)操作，自主系統(tǒng)的效率大幅提升。整個(gè)手術(shù)流程（不含前期準(zhǔn)備）耗時(shí)顯著減少。

更重要的是，這套系統(tǒng)能夠實(shí)時(shí)補(bǔ)償因心跳帶來(lái)的眼部微小運(yùn)動(dòng)。在模擬呼吸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)通過(guò)光學(xué)流法計(jì)算眼部位移，動(dòng)態(tài)調(diào)整穿刺位置，依然保持了很高的成功率。

▍三大深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，微米級(jí)精度背后的技術(shù)突破

這套自主手術(shù)系統(tǒng)的核心是三個(gè)專門訓(xùn)練的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），它們可充當(dāng)機(jī)器人的“眼睛”與“大腦”，能夠自主完成手術(shù)關(guān)鍵步驟的決策。

方向預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)基于ResNet18架構(gòu)，負(fù)責(zé)引導(dǎo)機(jī)器人精準(zhǔn)導(dǎo)航至目標(biāo)血管。輸入顯微鏡圖像和用戶點(diǎn)擊的目標(biāo)位置，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)輸出8個(gè)方向或"停止"指令，讓機(jī)器人以恒定速度移動(dòng)，誤差控制在11.33微米以內(nèi)

接觸檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)采用YOLOv8分類模型，通過(guò)分析iOCT的B掃描圖像，判斷針尖是否已經(jīng)接觸到血管外壁。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)98.7%，確保了穿刺前的精準(zhǔn)定位。

穿刺確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)同樣基于YOLOv8，但采用目標(biāo)檢測(cè)而非全圖分類的方式。它專注于針尖區(qū)域，精準(zhǔn)判斷是否成功穿刺進(jìn)入血管，平均精度（mAP50）達(dá)到97.6%。這避免了誤判導(dǎo)致的二次損傷。

硬件方面，系統(tǒng)采用了雙機(jī)器人協(xié)同作業(yè)的設(shè)計(jì)。主機(jī)器人操控直徑僅100微米的傾斜彎曲金屬針，輔助機(jī)器人則握持醫(yī)用刮匙，輕輕按壓靜脈上游使血管擴(kuò)張，便于插管。配備的集成iOCT手術(shù)顯微鏡既能提供實(shí)時(shí)二維圖像，又能生成高分辨率的三維橫截面圖像，為機(jī)器人提供精確的深度信息。

即使在存在氣泡、視網(wǎng)膜脫離、反光斑點(diǎn)等各種干擾的情況下，深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)仍能準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)血管，展現(xiàn)出強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力。

在實(shí)際操作中，當(dāng)接觸檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)針尖觸碰血管外壁后，機(jī)器人會(huì)瞬間將穿刺速度從0.2毫米/秒提升至5.4毫米/秒，確保一次性穿透血管壁。隨后輕微回撤針尖，等待穿刺確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證成功后，醫(yī)生通過(guò)腳踏板啟動(dòng)藥物輸注。

▍從“人機(jī)協(xié)同”到“普惠于民”，重塑眼科手術(shù)新范式

這項(xiàng)研究的意義遠(yuǎn)不止于技術(shù)突破本身。它為眼科手術(shù)帶來(lái)了幾個(gè)根本性改變。

首先是突破了人類生理極限。機(jī)器人系統(tǒng)完全消除了手部震顫的影響，將操作誤差控制在微米級(jí)別。這解決了手動(dòng)手術(shù)"差之毫厘，謬以千里"的痛點(diǎn)，大幅降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

其次是簡(jiǎn)化了手術(shù)流程。自主化操作減少了對(duì)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)的依賴，標(biāo)準(zhǔn)化的流程便于推廣。即使是缺乏RVC臨床經(jīng)驗(yàn)的操作者，也能借助系統(tǒng)完成高精度手術(shù)。這有望讓更多醫(yī)院具備開展此類手術(shù)的能力。

第三是建立了人機(jī)協(xié)同的新范式。系統(tǒng)并非要完全取代醫(yī)生，而是讓醫(yī)生從繁瑣的精準(zhǔn)操作中解放出來(lái)，專注于目標(biāo)選擇、手術(shù)監(jiān)控等關(guān)鍵決策。實(shí)現(xiàn)了"機(jī)器干精細(xì)活，人類做決策"的分工。

當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)室到臨床應(yīng)用還有一段路要走。研究團(tuán)隊(duì)表示，下一步將進(jìn)一步提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能力，通過(guò)實(shí)時(shí)分割網(wǎng)絡(luò)追蹤血管位置，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。同時(shí)優(yōu)化穿刺策略，降低穿刺速度、增加穿刺次數(shù)，減少對(duì)視網(wǎng)膜色素上皮的潛在損傷。

關(guān)鍵是，團(tuán)隊(duì)需要在活體動(dòng)物模型中測(cè)試系統(tǒng)的安全性和有效性，逐步推進(jìn)臨床轉(zhuǎn)化。好消息是，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將手術(shù)系統(tǒng)開源共享，相關(guān)數(shù)據(jù)和代碼可以通過(guò)公開渠道獲取，這將加速全球科研人員的合作創(chuàng)新。

在AI與機(jī)器人技術(shù)驅(qū)動(dòng)下，眼科手術(shù)的極限正在被重新定義。未來(lái)的機(jī)器人將具備個(gè)性化適應(yīng)與超快動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，不僅能攻克視網(wǎng)膜靜脈阻塞，也將為青光眼等更多眼疾帶來(lái)革命性療法。

這場(chǎng)技術(shù)革新，正將高難度的超精度手術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)?strong>安全普惠的治療方案，為全球數(shù)千萬(wàn)患者帶來(lái)復(fù)明的切實(shí)希望。

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adw2969

https://mp.weixin.qq.com/s/uvCYmS9iV7yovSjCghMZag