中國團(tuán)隊(duì)新突破：眼科自主手術(shù)機(jī)器人，注射成功率100%！

眼科手術(shù)，是對(duì)人類醫(yī)生最具挑戰(zhàn)性的外科手術(shù)之一。

想象一下，在極其有限的操作空間內(nèi)，醫(yī)生需要將直徑僅60微米（比頭發(fā)絲更細(xì)）的針頭，精準(zhǔn)插入厚度僅有約25微米的視網(wǎng)膜特定層中。任何輕微的手抖，都可能造成不可逆的視力損傷。

現(xiàn)在，這個(gè)難題有了新的解決方案。

中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所多模態(tài)人工智能系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室邊桂彬研究員團(tuán)隊(duì)，近日在國際頂級(jí)期刊《科學(xué)?機(jī)器人》（Science Robotics）上發(fā)表題為"Autonomous robotic intraocular surgery for targeted retinal injections"的研究論文。

他們研發(fā)的自主顯微眼科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)ARISE，在整個(gè)眼內(nèi)空間實(shí)現(xiàn)了自主的視網(wǎng)膜下和血管內(nèi)注射。實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人矚目：在眼球假體、離體豬眼球及活體動(dòng)物眼球?qū)嶒?yàn)中，該系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了100%的注射成功率，平均定位誤差比醫(yī)生手動(dòng)手術(shù)減少了79.87%，比醫(yī)生主從操作機(jī)器人手術(shù)減少了54.61%

圖1 顯微眼科機(jī)器人ARISE進(jìn)行自主視網(wǎng)膜手術(shù)示意

這意味著什么？人類獲取外界信息的80%以上來自眼睛，而全球已有超過22億人患有眼科疾病。這套自主機(jī)器人系統(tǒng)能夠提高手術(shù)精確性、安全性和一致性，最大限度減少醫(yī)源性損傷，有望減輕外科醫(yī)生工作負(fù)擔(dān)，讓醫(yī)生更專注于手術(shù)設(shè)計(jì)和監(jiān)督。

▍多模態(tài)融合技術(shù)突破眼內(nèi)感知難題

邊桂彬研究員團(tuán)隊(duì)的核心突破在于構(gòu)建了強(qiáng)大的綜合導(dǎo)航模塊

研究團(tuán)隊(duì)提出了多視角空間融合方法，專門克服多模態(tài)眼內(nèi)成像中的成像異質(zhì)性和動(dòng)態(tài)空間失準(zhǔn)問題。該系統(tǒng)整合了術(shù)前OCT和眼底彩色圖像、ARISE的執(zhí)行器狀態(tài)、術(shù)中OCT A掃描和B掃描、術(shù)中顯微鏡視圖以及外部解剖標(biāo)志或器械的光學(xué)追蹤等多源數(shù)據(jù)。

通過這種多視角空間融合，系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)術(shù)中動(dòng)態(tài)更新的全局三維地圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這張地圖在顯微鏡視野內(nèi)實(shí)現(xiàn)了4.7微米的橫向分辨率，視野外為20微米；深度分辨率達(dá)到6微米，對(duì)真實(shí)視網(wǎng)膜深度的復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確率達(dá)到99.08%

在精準(zhǔn)定位方面，團(tuán)隊(duì)提出了基于準(zhǔn)則加權(quán)的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法。該方法采用三個(gè)層級(jí)的定位策略：在顯微鏡視野外，通過RCM輔助的外部空間定位算法融合光學(xué)追蹤和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)，實(shí)現(xiàn)100微米精度的定位；在眼球后段，末端執(zhí)行器定位算法分析輪廓和陰影特征，達(dá)到亞10微米精度；在視網(wǎng)膜附近，基于術(shù)中OCT的相對(duì)定位算法分析A掃描數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)精準(zhǔn)定位

此外，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了多約束目標(biāo)優(yōu)化方法，綜合考慮RCM約束、顯微鏡視野、照明幾何、軟組織邊界保護(hù)等多重因素，精確規(guī)劃機(jī)器人末端執(zhí)行器的軌跡。整個(gè)手術(shù)過程都在人監(jiān)督下的力-位置-影像混合控制下進(jìn)行，確保了手術(shù)的安全性。

圖2 自主顯微眼科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)ARISE的組成部分

圖3 自主顯微眼科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果

▍推動(dòng)眼科手術(shù)向智能化轉(zhuǎn)型

ARISE展現(xiàn)出顯著的性能優(yōu)勢(shì)。與人類醫(yī)生對(duì)比，自主機(jī)器人的平均定位誤差僅為11.71微米，而遠(yuǎn)程操控機(jī)器人為25.80微米，人類醫(yī)生手動(dòng)操作達(dá)到58.17微米。

特別是在極具挑戰(zhàn)性的分支視網(wǎng)膜靜脈注射中，由于血管直徑更細(xì)，人類醫(yī)生的成功率明顯下降，而ARISE依然保持100%成功率

時(shí)間效率方面，自主機(jī)器人從目標(biāo)定位到注射完成平均僅需要79.16秒。更重要的是，機(jī)器人能夠持續(xù)提供穩(wěn)定、精準(zhǔn)的操作，不會(huì)因?yàn)槠诨驂毫Χ绊懕憩F(xiàn)

該研究成果為眼內(nèi)手術(shù)的自主化提供了全新的技術(shù)路徑，展示了自主機(jī)器人在顯微手術(shù)中的可行性，有望推動(dòng)眼科手術(shù)治療的進(jìn)步，尤其在遠(yuǎn)程醫(yī)療和極端環(huán)境下具有廣闊的應(yīng)用前景。

減少對(duì)稀缺醫(yī)療資源的依賴，到縮短外科醫(yī)生學(xué)習(xí)曲線，再到提高手術(shù)一致性和患者安全，ARISE代表著眼科手術(shù)向智能化、精準(zhǔn)化方向發(fā)展的重要一步。隨著技術(shù)不斷成熟和臨床驗(yàn)證的推進(jìn)，自主手術(shù)機(jī)器人有望為更多眼疾患者帶來高質(zhì)量的治療選擇。

這項(xiàng)研究由邊桂彬研究員（唯一通訊作者）和鄧雅文博士生（共同第一作者）等人共同完成，得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員等多項(xiàng)基金支持。

圖4 顯微眼科機(jī)器人主要研究人員

從左至右依次為：付攀博士生、葉強(qiáng)助理研究員、邊桂彬研究員、翟宇鵬博士生、李楨副研究員、鄧雅文博士生

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adx7359