想象一下，一位医生试图到达患者肺部深处的一个癌性结节——一个豌豆大小的目标，隐藏在错综复杂的血管和气道之后，这些组织会随着每次呼吸而移动。哪怕偏离一毫米，就可能刺穿主要动脉；而如果未能准确命中，则可能导致癌症未被治疗，进而扩散。
这就是医生每天在成千上万次手术中面临的高风险现实，精确性至关重要，但复杂的解剖障碍使得任务更加困难。人工智能（AI）和机器人能否帮助应对这些挑战，并改善患者的结果？
“一个新的‘AI指导’时代正在医学领域到来，”计算机科学系Lawrence Grossberg杰出教授Ron Alterovitz说道。“具备先进AI的机器人可以协助医生并自动化某些任务，不仅能够实现前所未有的精确度，还可以让复杂手术更安全、更高效。”
近期发表在《科学机器人》（Science Robotics）的一篇文章正式提出了AI指导在基于针头的医疗程序中的概念，并概述了每个组成部分的AI指导程度。
具备AI指导的机器人能够在针头引导方面实现比人类医生更高的精度，同时还能使用最先进的针头设计，这些针头可以弯曲以穿越人体内部。
这篇题为《AI手中的医疗针：迈向自主机器人导航的进展》的文章由Alterovitz撰写，合著者还包括克莱姆森大学的Janine Hoelscher和犹他大学的Alan Kuntz。Hoelscher和Kuntz都曾在UNC完成计算机科学博士学位，导师正是Alterovitz。
AI指导的时代
几十年来，医生一直依赖图像引导——利用X射线、CT扫描和磁共振成像（MRI）来可视化患者的解剖结构并规划术前的针头路径。这一进步可以追溯到19世纪末发现X射线之时，它使得进入体内点位变得更加安全。
最近的AI技术进步正在推动这一领域向前迈进一大步。AI可以自动分析图像、识别目标和障碍物、计算安全轨迹，甚至可以自动引导机器人针头绕过敏感组织，到达体内深处的目标区域。
例如，北卡罗来纳大学教堂山分校、范德堡大学和犹他大学的研究团队展示了一种医疗机器人，该机器人能够以极高精度自主引导针头到达活体组织中的临床相关目标，其表现优于仅使用传统工具的医生。作者详细描述了从图像引导到AI引导的转变，AI在此过程中协助感知患者解剖结构、跟踪手术进展、规划仪器运动，甚至执行这些动作。
“几十年来，图像引导帮助医生更好地计划和执行医疗程序，”Alterovitz说。“AI引导则进一步提高了手术的安全性和微创性。”
这篇文章正式定义了AI引导的概念，即利用AI增强医生的表现，并为更高水平的机器人自主性奠定基础。文章将AI引导的四个组成部分定义为：
- 感知解剖结构
- 规划仪器运动
- 感知仪器状态
- 执行仪器运动
这四个组成部分各自提供不同程度的AI引导：
- 眼睛观察/手动操作——医生执行任务，AI提供协助
- 眼睛观察/手动不操作——AI执行任务，医生监控AI并在异常情况下准备干预
- 眼睛不观察/手动不操作——AI执行任务，医生仅在AI请求时介入
- 完全AI引导——AI完全执行任务
最后，文章将当前系统分类为上述类别，并讨论了实现更高AI引导程度的研究挑战。研究人员特别强调了广泛临床应用的关键障碍，例如确保安全性的需求、在监管环境中的运作、开发在每个AI引导级别都直观的医生-AI界面，以及将必要的技术整合到临床工作流程的所有方面的能力。
尽管承认仍有许多挑战需要克服，Alterovitz对未来AI引导在医疗程序中的应用表示兴奋。
“AI和机器人技术的突破将继续推动医疗程序中AI引导和机器人自动化的程度，”Alterovitz说。“AI和机器人可以为医生提供新工具，使具有挑战性的手术更加安全和高效。”
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