随着医疗行业中合格的医务人员和外科医生的需求预计在未来十年内翻倍，退休速度超过新入职人员的数量，人口老龄化问题的持续加剧，使得医生和患者的压力不断增加，探寻解决方案成为当务之急。
由犹他大学一名计算机科学家共同撰写的新研究探讨了人工智能（AI）如何帮助缓解这一紧张局面，特别是在体内部署医疗针具方面。
几十年来，外科医生在手术中依赖计算机断层扫描（CT）、超声和磁共振成像（MRI）等成像技术进行指导，但随着AI的快速进步，塔尔·坎茨（Alan Kuntz）博士表示，这为高精度的手术程序开辟了新的途径，特别是在精确度要求极高的操作中。
坎茨指出：“在这种情况下，人工智能并不是一个单一的智能代理来执行所有任务，它不是一个人工外科医生。我们关注的是可以将这类技术嵌入外科或介入工作流程中的特定位置，以提升其某些能力的地方。”
坎茨是犹他大学Kahlert计算机学院的助理教授，也是该校机器人中心的一员。他与合著者们通过这项综合性研究建立了一种四部分的AI引导框架，专门用于针具的部署。这些针具是最常用的医疗工具，广泛用于靶向药物输送和活检等多种程序。
他表示：“我们的目标是减少外科医生和介入医生的每位患者工作量。”
AI在这一领域的一个优势，是在一个医务工作人员日益短缺的世界中扩大对医疗服务的可及性。
坎茨和共同作者们，包括北卡罗来纳大学的罗恩·阿尔特罗维茨（Ron Alterovitz）以及克莱姆森大学的贾宁·霍尔舍（Janine Hoelscher），共同制定了这一框架中的四个组成部分：感知解剖、规划运动、感知仪器状态和执行运动。这些组件能在自主程度的不同范围内实施，从基础支持到完全自主。
坎茨解释道：“从AI的角度来看，感知解剖实际上是透过医学影像或摄像头成像自动确定其几何结构和解剖语义结构。”
这一框架明确了AI集成工具在针具部署中增值的地方，以及人类监督仍然是必需的地方。其应用范围包括图像分割、CT基础目标和障碍物识别、手动绘制插入路径以及针对可弯曲的针具的基于取样的规划，以确保针具在不与其他部位发生碰撞的情况下沿着曲线路径运动。
为了帮助工程师建立每个工作流程的“护栏”，研究还识别了性能优势和潜在风险。
坎茨说：“首先，AI在针刺干预中的应用远比‘给机器人一根针，让它随意做’更复杂。”
“其次，这种细致的方法使我们能够创建中间步骤，其中我们在某些组件中使用AI技术，而整个系统并不完全依赖这种技术，没有其它约束。”
在犹他大学的实验室中，坎茨和他的合作者们正在探索减少外科工具侵入性的方式，同时遵循安全标准。他们的研究主要集中在外科针具上，但也扩展到其他领域，如腹腔镜手术。
这些新工具利用AI增强图像处理和导航，结果是获得了具有更大自主性、精准度和有效性的外科器械。这些工具集成在机器人平台中，在某些情况下，可以独立操作，或通过控制台由外科医生控制，并始终由内窥镜摄像头引导。
坎茨指出：“该设备通过身体的一个端口进入，设计上使其不会更改插入点。它围绕该点旋转，且在身体内部设有一小型腕部以提高操控组织的灵活性。”
由于其体积小巧，这些装置不仅更有效，而且降低了侵入性，使用起来也更为方便。此外，它们能够在患者体内灵活导航，避开细致区域。
坎茨表示：“我们可以通过可弯曲的针具进入大脑和肺部的深处。这些针具可以在体内弯曲，越过血管或其他障碍物，依然到达目标。”
整体而言，AI增强的外科机器人研发旨在缓解医疗系统面临的多重挑战，包括应对人力短缺、降低医务人员的工作倦怠率，并提高患者安全性，从而提供更安全、有效的治疗。
通过关注狭窄定义的工作流程，并集成人工验证的环节，这些AI增强的工具可以在多种程序中安全地实施。
这项名为“医疗针具与AI的协作：朝向自主机器人导航的进展”的研究于7月9日发表在《科学机器人》上。该研究获得了美国国家卫生研究院和国家科学基金会的资助。内容仅代表作者的观点，不一定反映这些资助机构的官方看法。
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