劉昊 |世の中にこれ以上難しい手術がないように

「ロボットは人間の脳を技術的な操作や病気の特定から大幅に解放し、病気の治療方法にもっと集中できるようにした。」

劉昊

中国科学院瀋陽自動化研究所

私は過去15年間、世界中で手術をより簡単に行えるようにすることを目指して取り組んできました。

論理的に言えば、これは医師が追求すべきことです。実は、私がやっていることは医師と密接な関係があります。私は子供の頃から医師という職業に大きな尊敬の念を抱いてきました。私は重度の貧血を持って生まれました。私の命は母によって与えられたと言えますが、医師によって救われました。同じような経験をした人はたくさんいると思います。

私が高校生だった1997年頃、「赤十字パレード」という軍医の成長体験を描いた大人気のテレビシリーズがありました。私は深く感動し、その時第四軍医科大学に入学したいと思いました。

残念なのは、健康診断に合格できず、医者になれなかったことです。これが私の人生の軌跡を変えたのかもしれないと思います。

しかし偶然にも、私がハルビン工業大学の3年生だったとき、私の指導者である王樹国教授が外科用ロボットを紹介してくれました。その時から、私は医師という職業、特に手術を行う外科医とより多くの関わりを持つようになりました。

人々の心の中で手術はどのように見えるでしょうか?ある程度の基本的な理解はあるかもしれません。患者の立場で見れば、手術はとても痛いはずだということは容易に理解できますが、医師が心の中でどのような心理を抱いているかは、実際には私たちには理解しにくいものです。

医師たちとより多くの接触を持つうちに、私たちはこの職業が実際には多大な精神的プレッシャーに耐えることを要求するものであることを知りました。

手術を行う際、医師は高い集中力を必要とし、非常に緊張しなければなりません。

手術が終わった後も、彼は非常に落ち込んでいました。

この手術（膵頭十二指腸切除術）は、特に外科手術においては、実行が非常に難しいため、小さなミスで血管出血が起こり、その後、大量出血によりいつでも患者の生命が危険にさらされる可能性があります。

このような状況において、医師は人々の生命と健康に対して責任を負います。

膵頭十二指腸切除術

これは一般外科手術の中でも最高峰の手術とも言える非常に有名な手術です。

動画からわかるように、血管を層ごとに切断し、一部の組織を切り落とし、切断した血管を再び吻合する必要があります。この手術には4つの臓器が関与し、30個以上の器具が交互に使用され、手術時間は8〜10時間です。

初めて医師からこの手術について説明を受けたとき、私は本当にショックを受けました。実は、私の心の中には別の考えがありました。そもそも医者にならなかったのは幸運だったのかもしれない。なぜなら、そのような手術は実に複雑で、私の想像を超えているからだ。

その後、徐々にこのような複雑な手術に触れるようになり、手術ロボットがこれらの問題を解決できるのではないかと考えるようになりました。幸いなことに、外科用ロボットの技術は大きく発展しており、多くの外科用ロボットが臨床現場で使用されています。

架空の外科用ロボット

実際、私が初めて外科用ロボットの分野に触れたとき、外科用ロボットに対してこのような印象を持っていました。

しかし、実際のところ、現時点では手術ロボットは手術の場所や手術内容などさまざまな要因に左右され、その種類も多種多様です。これまでに、髪の毛からつま先まで、さまざまな手術用ロボットが臨床使用または研究されています。

これらの外科用ロボットの種類にも大きな違いがあります。例えば、腹部手術用の手術ロボットは、非常に細い内視鏡を腹部に挿入し、手術鉗子やハサミを使って軟部組織の手術を行います。

整形外科ロボットは、ドリルやグラインダーなどのツールを使用して骨などの硬組織を操作します。

これらの外科用ロボットにはさまざまな種類があり、それぞれ独自の役割を果たします。彼らは私たちに何をもたらすのでしょうか？直感的に想像できます。外科用ロボットと人間は簡単に比較できます。外科用ロボットには手と目があります。

例えば、外科手術用ロボットの手は震えません。数年前、もし外科医になりたいと思っていても、パーキンソン病患者の完全に制御不能な震えほどひどくはないにしても、手に制御不能な震えがあったら、この仕事に就ける可能性は基本的にゼロだったでしょう。

例えば、外科用ロボットは人間の手作業を大幅に削減し、2～3ミリメートルほどの細い血管の縫合も非常に正確に行うことができます。

さらに、手術ロボットは疲労したりストライキを起こしたりすることがなく、非常に安定した手術を長時間維持することができます。これらは、外科用ロボットが私たちにもたらすことができる非常に基本的な利点です。

しかし、私たちは手術ロボットが手術台の上の患者に何をもたらすのかということについてもっと心配しているのではないでしょうか。それは医師にとってどのような助けになりましたか?これら 3 つの短編ストーリーを使用して、外科用ロボットが私たちにもたらしたものを紹介します。

完了: 30% ///////////

繊細な手術のために腹腔内に「手」を入れる

最初の話は、数年前に北京友誼病院の非常に有名な外科の専門家である張中涛教授を訪ね、彼から外科手術の発展過程について話を聞きました。

腹部手術の拡大

初期の頃は、医師が患者の胸部と腹部を直接開き、開放された環境で手術を行っていました。この種の手術は実は非常に簡単でした。

この方法は手術の効果は得られますが、患者の生活の質には配慮されておらず、患者の体に非常に長い傷跡を残します。

1980年代に腹腔鏡手術が登場しました。これは、人間の腹腔内に指4〜5本分の厚さの小さな穴を開け、細い内視鏡と手術器具を人間の腹腔内に挿入して、低侵襲手術を行うものです。

手術後、患者の体には4～5個の小さな傷跡が残ります。

最新の技術により、すべての手術器具を窓を通して人間の腹腔内に挿入するため、手術後に傷跡が残ることはありません。実際、人間のへその自然な傷跡を利用しています。

若い女性の中には、自分のへそが美しくないと感じ、お腹を露出する服を着られるようにへその整形手術を受ける人もいます。この新しい技術により、へその整形手術のような手術が可能になります。

この過程で傷跡はだんだん小さくなり、患者にとって完璧な結果が得られます。しかし、医師にとっては全く逆で、手術の難易度は非常に高いレベルにまで上昇しました。

シングルポート手術の様子です。一つの穴から腹腔内に多くの器具や内視鏡を挿入する場合、これらの器具の操作が必然的に衝突することを想像してみてください。

手術中、医師が鉗子を操作する際、医師の外部の動きと鉗子の動きが正反対になり、手術器具自体が非常に硬直しているため、手術器具同士の衝突が発生し、医師の手術に非常に長い時間がかかります。

さまざまな手を備えた外科用ロボットが必要です。

私たちはいろいろな計画を考えて、いろいろな試みをしましたが、最終的に自然の中の生き物から学ぶことを思いつきました。それは珍味です。北京には、この珍味であるザリガニを専門に扱う通りがあります。

ザリガニの形が非常に優れているのは、その目と2本の手が、外科手術の専門用語で「外科用三角形」と呼ばれる形状を形成しているからです。手術をするときも、手を広げて目で見ます。このような三角関係があって初めて手術はうまく行われるのです。

私たちの楽器はこの生物の特性から生まれたものです。構造的には非常に似ており、2 つの手と目があります。さらに、手と目は非常に柔軟かつ自由に変形および動くことができるため、私たちの外科的要件を満たしています。

まず、自由度が十分で、6～7度の柔軟な変形が可能で、実際に人間の腕の器用さに達しており、動作精度はミリメートルレベルに達し、繊細な手術を行う医師の要件を満たしています。

私たちは、人間の外科手術を復元したばかりです。実は、外科用ロボットを使用する際には別の問題もあります。メスを使って組織を切るときに本来感じていた力の感覚は失われています。そこで私たちは、ミリニュートンまでの精度を持つ、手術器具の前端に統合された小型センサーを開発しました。

これは人間の手で認識できる解像度をはるかに超えています。私たちは、操作時にこの力の感覚を体感できるヒューマンコンピュータインタラクション装​​置も開発しました。このようにして、私たちは人々の手の動きと力の感覚を回復させました。

これは私たちの力の実験のビデオです。全方向の作戦部隊を視認でき、すべてを収集できます。

もちろん、非常に興味深いビデオもいくつか作りました。ブドウの皮を縫合する実験です。操作は非常に繊細です。ブドウの皮は非常に薄く、果肉は非常に柔らかいです。縫合した後もブドウはそのまま残っています。

このビデオはさらに興味深いです。これは私の博士課程の学生の一人のアイデアでした。この手術器具はザリガニのような生物から作られたものなので、まあ、戦ってみよう、と彼は考えた。手術器具はザリガニを抱きしめて投げ飛ばした。

ザリガニは非常に動揺している可能性があります。研究の過程は大変で退屈ですが、実は面白いこともたくさんあります。この研究に参加したい場合、これは、研究プロセスがもたらす楽しさの一部を実際にまだ体験できることの良い証拠でもあります。

もちろん、実際の臨床使用の前に動物で試すことになります。これは最初の動物実験の写真です。手術中、医師は意図的に操作ハンドルを使用してみましたが、確かに操作が非常に器用であると感じられ、前述の器具の衝突の問題が解決されました。

上記の話から、ロボットは人間の手の延長であり、非常に繊細な手術を行うために人間の手を腹腔内に入れるのと同じだということが分かります。こんなに器用な操作でも、まだ十分ではありません。

完了: 50% ///////////

病変部を「見る」

2つ目の話は、数年前にロボットによる手術を見に行った時のことです。当時、患者は肺結節を患っていました。手術の前に、医師は染料を使って患者の体の結節の周りに円を描いた。

しかし、これらの痕跡は手術中に失われました。結局、医師は豊富な経験をもとに、苦労してようやく痕跡を見つけました。

これは問題を反映しています。たとえ手が非常に器用であっても、組織の表面下の病変を目で確認できない場合、手術をうまく行うことはできず、手術は依然として困難です。

本の中の人間の体と人間の目で見た人間の体の違い

左側は教科書に載っているものです。人間の組織や臓器は非常に明確に分かれており、血液には色があります。右側は医師が見る写真です。すべての組織と臓器が重なり合って、血管と病変を区別することが不可能になります。

技術の進歩により、外科用ロボットにもいくつかの進歩がありました。写真のように染色法を使用し、蛍光イメージングにより画像を収集することで、手術ロボットが病変の位置を確認することができます。

腫瘍が剥がれ落ちる様子のビデオです。手術中、手術が必要な箇所をはっきりと見ることができます。

もちろん、拡張現実技術という別の技術もあります。手術前に、CT と超音波で病変を診断し、それを 3 次元で表示し、血管を含む病変組織を 3 次元画像上で見つけて、それを手術プロセスに反映させることができます。

これにより、ロボットは手術が可能な場所と不可能な場所を認識し、血管や神経などの機能的かつ非常にリスクの高い領域を回避することができます。ロボット工学は人間の目の延長です。

手と目の機能向上に伴い、ロボットの知能やIQの向上も自然と考えられます。

完了: 70% ///////////

医師の脳を「解放」する

内視鏡検査

3つ目のお話は内視鏡検査についてです。内視鏡検査では、人体の体腔に沿って鏡を挿入し、早期の癌やポリープの有無を確認し、早期診断と治療を可能にします。体内にチューブが挿入されたら、かなり痛いだろうと想像してみてください。

これは内視鏡的介入を受けている患者の写真です。実は、そこに横たわっているのは私です。私は非常に健康で、消化管に問題はありません。私たちがこれを行っているのは、中国人民解放軍総合病院と提携しているからです。

医師たちは、診断と治療に代わったり、補助したりする外科用ロボットの開発を私たちに求めました。私は恐怖心を克服し、このロボットを作るために科学研究に専念しました。緊張して辞めたいと思ったこともありましたが、それでも頑張りました。

その後、医師と話をしたところ、実は内視鏡による介入の過程では、医師の手術は曲がりくねった空洞を通過する必要があり、組織への過度の牽引を避けるためにどのように手術するかを医師の脳も考えなければならないとのことでした。

同時に、彼はこれらの写真に示されているようなさまざまな形のさまざまな病気にも注意を払わなければならないため、彼の脳は相当な量を占めています。

この分析に基づいて、私たちはいくつかの調査を行いました。一方で、私たちはゲームをするのと同じくらい簡単でシンプルな手術ができる外科用ロボットを作りたいと考えています。

一方、私たちは内視鏡検査のプロセスに人工知能の手法を追加し、どの病変が自律的に識別され、医師に何らかの指示を与えることができるようにしたいと考えています。これにより、医師の手術の難易度が軽減され、手術が容易になります。

2017年12月のことでした。私たちは初めて人体内の消化器内視鏡検査を実施しました。内視鏡による介入はまるでゲームのように行われ、医師にとっては非常に簡単なものでした。実際に介入中は、手術の安全性を保つために、内視鏡と人体組織の間の介入の力の大きさを常に収集していました。

こうした技術があれば、ロボットにこれを自力でやらせることができるのではないかと自然に考えます。

このビデオは、非常に成功した私たちの試みの 1 つを示しています。ロボットは、画像、力の知覚、動きに基づいて、人間の口から十二指腸まで移動することができます。もちろんこれはモデル内で行われます。

この例を通して私が伝えたいのは、ロボットが人間の脳を大幅に解放し、技術的な操作や病気の特定から人間のエネルギーを解放し、病気の治療方法にもっと集中できるようにしたということです。

私が伝えたいのは、ロボットは人間の手の延長であり、目の拡張であり、脳の解放である、という3つの側面です。

問題は、医者である友人の多くが、私が彼らの仕事を破壊していると強く非難したことです。実のところ、私はかなり憤慨しています。よく考えてみると、私たちが望んでいるのは、世界から難しい手術の必要性をなくすことであり、医者の必要性をなくすことではないのです。

病気は依然として医師による治療が必要なため、外科用ロボットは医師にとって優れた補助ツールにすぎません。技術の進歩により、私たちが直面するより困難な手術のいくつかは、今では実行可能になりました。

例えば、島を警備する兵士の応急処置など、空間と時間的な難しさは、ロボット技術を使用することで現場まで手術範囲を広げることができ、外科手術を1回で正確に完了することができます。そうすれば、私たちの健康にも良い大きな助けがもたらされるでしょう。

医師は常に受付に立ち、命と健康を救うために時間と競争しています。

彼らはこの道を一人で歩んでいるのではありません。私たちも彼らと共に歩んでいます。なぜなら、人間の生命と健康を守ることは私たちが切望し、愛していることであり、私たちの共通の使命だからです。

記事とスピーチは著者の見解のみを表しており、格智倫道フォーラムの立場を表すものではありません。

「Gezhi Lundao」は、以前は「SELF Gezhi Lundao」として知られており、中国科学院が立ち上げた科学文化フォーラムです。中国科学院コンピュータネットワーク情報センターと中国科学院科学コミュニケーション局が共催し、中国科学普及博覧会が主催します。私たちは、国境を越えて優れたアイデアを発信することに力を注ぎ、「物事を探求し、知識を求める」という精神で、科学技術、教育、生活、未来の発展を探求することを目指しています。