全球首例！跳动的心脏里，哈佛机器人能自动驾驶

边策 栗子 发自 凹非寺

量子位 报道 | 公众号 QbitAI

我们的心脏，一刻不停地跳。
为心脏做手术也就危机四伏。比如，治疗心脏瓣膜的成绩的导管插入术，要求身为医生的人类，手动把导管送到心脏瓣膜的漏点。

手动导航的操作，遭到心跳的激烈干扰，稍不小心就会出现差错。

△ 手动导航

但如今，哈佛医学院的研讨人员，把导管变成了机器人，可以在心脏里自动驾驶。

完全不用人类医师导航，机器人能本人找到心脏瓣膜的漏点。随着心跳，自动驾驶的道路时辰在变化，可机器人依然能准确抵达目的地。

在整个星球上，这还是第一次。

他们的机器人导管，曾经在跳动着的猪心脏里测试过，秒速抵达，表现媲美人类医生。

机器人登上了新一期的Science Robotics子刊。

那么，在心脏这样复杂的环境里，机器人是怎样找到路的？

迷信家说，是蟑螂和老鼠给了他们灵感。当然，也少不了机器学习算法。

如何中转心脏瓣膜

一方面，机器人具有计算机视觉处理才能，另一方面还有蟑螂触角一样的触觉，结合这两种感知才能，它在心脏内自动游走，寻觅心脏瓣膜走漏的地位。所以迷信家们把它叫做“触觉视觉自主机器人”。

心脏微创手术需求在皮肤上开孔，然后由医生插入导管，靠阅历手动操作找到手术地位。而触觉视觉自主机器人为医生省去了手动导航的步骤。

触觉

为了让导管变成体内自动驾驶的机器人，研讨人员除了在前端加入摄像头外，还加入了“光须”（optical whisker）。

它就像蟑螂用触角、老鼠用胡须探测物体一样，经过力的大小来计算导管前端与心脏内壁的间隔。机器人也可以在心脏里找到本人的方向。只需不断沿着“墙”走。

要想知道机器人在心脏内的运作方式，我们先要引见它与心脏的两种接触形式：

1、延续接触形式：导管与心壁平行，由于导管的柔韧性，它在心脏跳动时不断与心壁保持接触。

2、间歇接触形式：导管与心壁垂直，此时前端正对心脏内壁组织，经过接触力的大小来计算间隔。

在下面的过程中，患者不必担心探测器会损坏心脏，由于它与心脏瓣膜和心室内壁接触的力气很弱，和黄油沾在手上的力差不多。

机器人的触觉依托的是导管前端与心壁的接触力，以及占空比，即导管和组织接触的工夫在整个心跳周期中的比例。

实验表明，接触力的大小与占空比在很大一段范围内是成反比的。

在间歇接触形式下，机器人也会控制接触力不至于过大，机器人导管尖端在与心脏组织接触后会同步移动，防止心脏收缩时被导管刺伤。

视觉

除了触觉，自动导航机器人也要用到视觉。

研讨人员设计了一种基于机器学习的图像分类器，可以区分血液、心室壁组织和生物假体自动脉瓣膜。该算法基于感兴味的特定特征出现的次数，确定这些特征的数量和图像类别之间的关系。

用一组手动标记的医学图像对算法停止训练，2000张照片的只需训练4分钟即可完成。将所得的模型用在7000张测试图像中，正确率能达到了97%。

当触觉视觉传感器横向压在组织上时，组织会在传感器尖端周围变形，覆盖其视野的一部分。导航算法辨认图像中组织比例，再调整导管的地位。

用于视觉算法处理、和导管控制的电脑并不需求太高配置。其中用于导管运动控制的电脑配置为Intel Core Quad CPU Q9450@2.66 GHz，4GBRAM，另一台用于从触觉视觉传感器获取和处理图像的电脑配置为Intel Core i7-6700HQ@2.6 GHz，16GB RAM，图像处理速度完全跟得上相机帧率（45帧/秒）。

表现和专家相当

为了评价自动导航算法，研讨人员比较了自动导航和远程操作（范畴内专家用操纵杆控制）和手动控制（手持导管）三种不同手术方式的结果。

在90次实验中，自动导航成功了89次。自动导航比远程操作速度更快、方差更小，但是比手动控制要慢。

参与实验的研讨人员表示，如今他们曾经在猪的身上实验成功，进动手术室还需求几年的工夫。

有什么意义呢

首先，就像扫尾提到的那样，遭到心跳的干扰，手动导航并不简单。

除此之外，手术是个辛劳的过程，需求全程保持动作的高度准确。

假如分给机器人一部分义务，医生便可以专注在愈加关键的手术步骤上，避免疲惫形成的动作变形，保证手术质量。就像飞机的自动驾驶，解放了飞行员那样。

约翰霍普金斯大学的Russ Taylor教授，也是医疗机器人范畴的专家，他说：这是一项严重的成就。

一旦“自动驾驶”导管的技术成熟、投入运用，能够给心脏外科手术带来不小的变革。

另外，虽然如今这项研讨是用于心脏，但“在人体里自动驾驶”的做法，还可以有许多其他用途。

团队说，脑血管，气道，胃肠道，脑室系统等等，不同部位的病症，都可以用“沿着墙走”的方法，来做微创手术。

即便是没有血液活动的部位，触觉×视觉的分析方法也不会失色：依然可以用其他类型的传感器，来感知组织接触的状况，然后成像。

领队Pierre Dupont (简称杜邦) 博士有个宏远的想象：

有一天，全世界的自动驾驶手术机器人，可以把数据都汇集起来，一同让机器人变得更弱小。就像自动驾驶车那样，地球每个角落的数据都能传回特斯拉，帮技术团队不断优化算法。

最复杂却最简单

自动驾驶的心脏导管，是在一个复杂团队的培育之下诞生的。

论文作者有10位，来自世界各地：美国的哈佛医学院附属的波士顿儿童医院，法国的斯特拉斯堡大学，以及宝岛的台北荣民总医院。

他们之中，既有医学博士，也有擅长机器人控制技术的研讨人员，还有担任视觉算法的攻城狮。

领队杜邦博士说：

这是我做过的最难的项目，机器人身体里的程序总是要重写。我还记得，程序猿走出实验室的时分，曾经累到完全没力气了。

才终于完成了心脏里的自动驾驶。

虽然，来时路途异常艰苦，但杜邦博士还是觉得：

技术是最简单的部分。要让更多的人用上这样的机器人，政策才是最重要的。

论文传送门：

https://robotics.sciencemag.org/content/robotics/4/29/eaaw1977.full.pdf

— 完 —

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