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I slip my fingers through a pair of metallic rings; my eyes go to a viewfinder-like set of cameras and my foot compresses a pedal. 从外面, 这听起来像是在玩飞行模拟器或虚拟驾驶游戏, 但我实际上是在操作一个达·芬奇的手术机器人. 世界上只有大约5500台这样的机器,而且它们 大约200万美元 每人.

等我安顿下来, 我有一个简单的任务:用尖鼻子钳子一样的手控制一对机械臂,从人造人体组织中拔出一根小针,然后再把它插回去. 想想儿童时期的游戏《银河至尊APP》, 但是再加上价值数百万美元的尖端医疗设备以及人造组织的挑战性, 你会在脑海中看到一幅很好的画面.

我可以慢慢地、小心翼翼地拿起大头针,但换掉它就完全是另一回事了. 我怕用力太大会损伤组织. 我不小心把别针掉了, 我扭了扭胳膊,想再把它捡起来,结果实验失败了. 手臂被锁住了因为我施加了太多的力. 实际上,我弄断了机器人的手腕.

达芬奇的机器已经在世界各地完成了700多万例手术, 而且这个数字还在迅速增长. 银河至尊APP奥斯汀分校(University of Texas at Austin)是美国为数不多的几个拥有不止一个达芬奇手术机器人系统可供试验的机构之一.

这是银河至尊APP在一个被称为 SURGINEERING.

什么是Surgineering?

这个词本身是外科手术和工程学的结合, 哪一个也是对这个概念的恰当定义. 在最基本的层面上, 外科手术是一个新的研究领域,工程师与外科医生密切合作,解决手术室中的问题. 这可以通过新的工具和设备来实现, 更好地利用现有技术和新的方法,让外科医生在对人类病人进行手术前做好准备.

外科手术的核心方面, 例如医疗设备制造和生物医学工程已经存在了很长一段时间. 但不同的是,这些领域结合在一起,为病人和外科医生检查痛点,不仅用医学技术,还用工程工具和概念来解决这些问题.

外科医生和工程师之间的合作是外科手术的关键因素. 外科医生知道手术室需要什么,但可能没有创造解决方案的技术能力. 工程师们可能对改进手术工具有很好的想法, 但他们没有机会亲眼看到这些问题.

另外, 这两个油田之间缺乏管道,这使得他们很难走到一起进行合作.

“所有的东西都被隔离了,”戴尔医院微创外科主任John Uecker说. 临床医生不知道如何找到工程师, 工程师不知道如何联系临床医生.Uecker与德克萨斯州工程师Chris Rylander和科克雷尔学校的其他研究人员共同创建了一家名为ClearCam的初创公司. 他是外科手术团队的主要支持者.

这个词本身很少被使用——本文采访的几位专家甚至都没有用这个词. 杰夫Siewerdsen, 约翰霍普金斯大学生物医学工程系临床和行业翻译副主席, 被认为是 这个术语的创始者. 但它正开始蔓延到其他机构, 因为研究人员看到了外科医生和工程师之间合作的价值.

这个概念仍然很新,甚至连最好的拼写方式都没有达成共识.

为了这个故事,银河至尊app下载询问了所有与银河至尊app下载交谈过的人, 三个工程师和四个外科医生, 他们怎么拼写这个单词. 另外,“surgineering”以微弱优势击败了“surgeoneering”.”

Some engineers and clinicians freely use the term; others say it’s not a thing yet. 但很明显,外科医生和工程师之间的合作正在增加. 这些联盟将为手术室带来更强大的技术工具,使外科医生的生活更容易,并改善患者的预后.

“工程师讲他们的工程语言,外科医生讲他们的手术语言. 现在有机会创造一个新的领域来弥补这一差距, 它只需要双方都有一个临界数量的个体来跨越,学习如何说他们同事的语言.”

安Majewicz Fey, 考克雷尔工程学院沃克机械工程系的教授

银河至尊APP奥斯汀分校是最有能力成为这个新领域领导者的地方之一. 戴尔医学院是其潜力的重要组成部分. 他只有7岁, 这是近50年来第一所由美国大学协会(Association of American Universities)顶级研究型大学白手起家建立起来的医学院.

这所年轻灵活的医学院, 它是考克雷尔学院(Cockrell School)排名前十的工程学院,周边地区的创新文化代表着孕育新想法的潜力的有力结合, 把它们建好,投放市场.

“银河至尊APP奥斯汀分校拥有一个伟大的外科手术生态系统的基础,正在从头开始建立,乔丹·阿马迪奥说, 西顿大脑中心的神经外科医生 & 脊柱研究所和戴尔医学附属教师. “银河至尊app下载有机会吸引志同道合的外科医生和工程师,他们将继续发展这个生态系统。.”

为了这个故事,银河至尊app下载采访了几位工程师和外科医生, 虽然这些合作变得越来越普遍, 很明显,外科手术仍然是一个新兴领域. 在工程师和外科医生可以共同完成的拯救病人生命和改善他们的体验方面,银河至尊app下载只是刚刚开始触及表面.

缩小经验差距

尽管医疗技术突飞猛进, 外科医生们通常都是用祖传的方法学习的. 尽管技术进步, 事实上,成为外科专家的最好方法就是做大量的手术.

外科手术的一个支柱是寻找新的方法来培训外科医生,以弥补与更有经验的外科医生相比的经验差距. 没有人想成为第一个被外科医生做手术的人.

金伯利·布朗(Kimberly Brown)是戴尔医学院的外科肿瘤学家和教育者. 她指出,学习者和受训者通常是按照她所说的“看得见的人”来教学的, 做一个, 教一个方法. 这是, 他们观察有经验的外科医生进行手术, 然后他们加入外科医生在手术室协助, 在最终进行手术之前.

这个方法, 布朗说, 这与银河至尊app下载现在对教育的认识背道而驰, 尤其是在教授技术技能的时候.

“你不会把一个棒球运动员放在投手丘上,然后说‘看我投球, 现在你投了几次, 现在去打职业棒球吧,”布朗说.

在给病人做手术之前,让有抱负的外科医生有更多的方法来提高他们的技能,这是Fey研究的一个焦点. Fey还被任命为戴尔医院外科和围手术期护理部门的副教授. 在去年加入德州大学奥斯汀分校之前, 她在银河至尊APP达拉斯分校待了六年, 她把达·芬奇的系统带到了四十亩地.

Fey和她的学生们正在致力于几个项目,为外科手术创造教育工具. 许多项目使用触觉反馈, 它包括振动和其他能给用户触觉的感觉.

其中一个例子就是套管针, 腹腔镜手术中使用的一种笔形工具,包括一个尖头和一个空管,为手术中设备提供路径. 安装套管针通常是手术的第一步,也是可能发生错误的地方. 缺乏经验的外科医生, 异常兴奋的说, 会不会把设备推得太深,可能会损害器官.

“病人的任何错误都可能是灾难性的,所以这是非常高风险的,”Fey说. “人们期望他们的外科医生优秀, 所以银河至尊app下载越能开发技术来加速学习曲线并达到更高的精通水平, 银河至尊app下载就越有一天能改善病人的护理.”

Ann Majewicz Fey和她的研究人员使用一种触觉手套,可以向用户反馈所施加的压力.

Fey和她的团队正在研究一种使用触觉模拟器来练习放置套管针的方法,这种模拟器可以让用户感觉到组织的阻力,并了解他们需要用多大的力气来推动套管针. 还有一些方法可以针对不同类型的病人修改设备的触觉反馈, 每个人都需要不同程度的力量才能将套管针插入身体.

这个项目符合外科医生在学员中注意到的一个更广泛的主题:他们使用器械太用力了. Fey的另一个项目旨在遏制这一问题. 研究人员发明了一种约束装置,可以附着在基本的外科手术工具上, 其中包括一块柔软的硅胶. 当用户握紧拳头时, 这个装置会向后推,让外科医生知道他们抓得太紧了.

“当你过度紧握手术器械时, 很容易损伤敏感组织, 而这正是银河至尊app下载想要减轻的,”异常兴奋的说.

左图:硅胶塞子会告诉使用者什么时候用手过握乐器. 右图:输尿管镜的触觉模拟器,可以让使用者感受到阻力和压力.

Fey的团队在翻修过的Anna Hiss体育馆工作 德克萨斯州的机器人 是住. 吱嘎作响的木地板和旧篮球框与自然光线倾泻而入的砖墙空间内的前沿研究形成了有趣的对比.

Fey的团队将达芬奇用于有趣的训练目的. 该团队刚刚提交了一篇新论文,分析了使用机器人进行训练的外科医生的平静与焦虑运动.

液体流动在外科手术中至关重要, 绘制外科医生的动作图可能是帮助他们提高表现的一种简单方法. 其目标是提供“指导力量”,帮助他们学习如何在手术的超紧凑空间中更好地控制自己的动作.

“在实验中,每当用户的动作开始有这种焦虑的特征时,银河至尊app下载就会打开不同类型的触觉引导提示, 银河至尊app下载实际上有了显著的结果,银河至尊app下载能够改善他们的风格,”异常兴奋的说.

手术室里的机器人

机器人在Fey的外科训练研究中扮演着重要的角色, 它们在手术室里也越来越常见. 对73家医院17万名患者的手术进行分析 去年发表的 2018年,机器人参与了超过15%的手术, 而在2012年,这个数字还不到2%.

这与当今新外科医生的训练方式相吻合. 阿比盖尔·凯恩刚完成妇产科住院医师实习, 她正在戴尔医院开始一个微创妇科手术项目. 这需要两年的机器人和腹腔镜手术训练,治疗子宫内膜异位症和子宫肌瘤.

该隐, 谁曾在菲的一些项目上与她合作过, 请注意,她的大多数住院医生同事都获得了与机器人工作的认证. 在手术过程中使用机器人可以减少“开放手术”的次数,这意味着保持切口小,而不必切开病人. 开放式手术对病人来说更危险,增加了并发症的几率.

+, 机器人减少了外科医生的体力负担, 通常情况下,大多数手术都要站在原地几个小时,并且非常辛苦地进行, 整个过程都是精准的动作.

“和机器人一起工作对体力的要求要低得多,”凯恩说. “他们比银河至尊app下载有更多的灵活性, 这样它们就可以在没有太多空间的地方导航.”

手术室内的机器人技术和能够实现更好操作的新设备是Farshid Alambeigi工作的核心. 他于2019年加入银河至尊APP奥斯汀分校, 来自约翰霍普金斯大学, 他在考克雷尔学校管理先进机器人技术外科实验室. 他似乎也是“外科手术”一词的创始人之一.

“外科手术弥合了外科医生和工程师之间的差距,以开发技术,提高外科医生的技能,进一步提高手术质量,以及患者的安全和治疗质量.”

沃克机械工程系助理教授farshid Alambeigi说

像垂死的, Alambeigi拥有一个完整的达芬奇机器人, 我想用它来拿别针,但没成功. 他们正在研究将机器人用作手术助手的方法, 这可以提供额外的手臂来做拉伸组织等工作,使外科医生更容易切割它. 他们想让这一切能够自主地发生.

达芬奇手术机器人之一,工程团队用来练习和测试.

这些机器人可以被外科医生用于微创手术. 越薄, 达芬奇的小胳膊比外科医生的手更容易进入人体, 加快病人的康复时间.

“如果你不需要打开病人的手,让所有的手进来, 相反,你只需要打两个洞, 这对病人更好,因为它能让他们恢复得更快,曼努埃尔·雷塔纳说, 外科机器人博士.D. Alambeigi实验室的学生,他也在美国宇航局的机器人项目工作. “这并不是医学领域一直以来的心态,因为他们总是以某种方式做手术, 但这确实让你重新考虑如何进行手术.”

研究人员甚至正在研究远程操作这些机器的能力. 这将允许, 例如, 一位意大利顶尖的外科医生在休斯顿的一家医院远程为病人做手术.

Alambeigi和他的团队还在开发可弯曲螺钉和可导向的机器人钻头,使外科医生能够绘制新的图表, 弯曲的轨迹穿过身体,比如脊柱融合术, 脊椎融合在一起是为了不同的目的,比如骨骼恢复和减轻背部疼痛.

Farshid Alambeigi和他的研究人员研究弯曲的螺钉,以获得更大的灵活性和准确性,当螺钉在手术中是必要的.

今天, 因为手术工具的硬度, 插入螺钉的路径必须是一条直线, 这意味着螺钉可能无法到达连接椎骨的最佳位置. 放置这些螺钉的过程是漫长和劳动密集的, 所需的x射线数量会导致大量的辐射暴露.

“用这些弯曲的轨迹, 银河至尊app下载可以把植入物固定在骨密度更高的地方, 怎样降低失败的风险, 银河至尊app下载也会减少病人受到的辐射,”Alambeigi说.

希望减少辐射, 在清晰地看到手术过程中发生的事情的同时,团队的另一个项目也受到了启发, 一种超薄光纤传感系统. 它看起来像铜线, 它的直径只有20微米(大约相当于一到两根头发),可以嵌入许多设备. 这种光纤可以精确测量身体中柔性仪器的受力和形状, 在手术过程中,什么是重要的,因为手术的误差范围几乎为零.

该团队的超薄光纤传感系统, 它能精确测量人体中仪器的力量和形状.

Alambeigi与戴尔医院的神经外科医生Jordan Amadio密切合作. 他们的主要项目是使用柔性植入物和弯曲钻孔技术进行脊柱融合, 但也有其他原因.

Amadio, 还有哈佛大学的工商管理硕士学位, 围绕外科手术和手术机器人,一个巨大的商业产业正在形成. 他说,在他从医学院毕业的10年里,这个领域的技术突飞猛进. 他对未来10年将给人工智能、机器学习、尤其是机器人等领域带来什么充满热情.

“在接下来的十年里, 机器人将在所有领域变得无处不在和必不可少,因为他们可以作为外科医生所能做的延伸,”他说. “They do not replace the surgeon; instead, they allow us to do things we couldn’t without the robot.”

针对病人的比赛计划

外科手术有两个核心领域——创造新的工具和技术来改进外科手术,以及找到更好的方法来使用现有的外科手术工具. 作为后者的一部分, 工程师们正在使用计算机模拟来显示病人对一周的手术可能会有什么反应, 或一个月, 或者六个月后.

正如cliché所说,没有两个人是一样的. 当想到医学和人体时,这当然是正确的. 当你说到手术的高风险时, 重要的是要明白,人们接受相同的手术后可能会有非常不同的结果.

这个难题是Michael Sacks在德州大学奥斯汀分校大部分工作的基础. 他是科克雷尔学院生物医学工程教授,奥登研究所(Oden Institute) Willerson Center for Cardiovascular Modeling and Simulation的主任. 他的工作属于更广泛的计算医学范畴.

他的重点是开发患者特异性, 基于模拟的方法治疗心脏和瓣膜疾病. Sacks和他的研究团队使用从病人身上获得的临床信息, 尤其是心脏的几何形状, 模拟它对特定手术的反应以及六个月到一年后的结果.

“问题在于外科医生, 在决定最佳治疗方案时, 不总是有足够的信息来了解每个患者的情况,萨克斯说:.

该团队的研究领域之一是二尖瓣返流, 一种心脏二尖瓣不能正常闭合的情况, 让血液倒流. 现在有希望了, 微创手术的目的是夹住瓣膜的瓣叶, 让它们完全闭合. 虽然在一些病人身上成功了, 其他病人的情况就不那么好了,而且常常需要反复进行手术.

为了解决这个问题, Sacks和他的团队正在进行一个正在进行的项目,利用治疗前临床获得的成像来模拟剪切过程的结果. 到目前为止, 他们发现,他们可以预测病人未来六个月的手术反应,准确率为83%.

“这项工作强调了需要以特定患者的方式来观察这个过程,因为每个患者的几何形状和生理似乎对这个治疗的效果有相当显著的影响。,娜塔莉·西蒙尼安说, 她是萨克斯中心的研究生研究助理.

打破贸易壁垒

工程学和外科是非常不同的领域, 但被它们吸引的人有着相似的心态. 调停者,建筑商. 他们总是在寻找做事情的新方法. 然而, 有时——外科医生和工程师都说——他们可能会陷入一个陷阱,创造一个不一定能解决已知问题的解决方案.

Fey说:“作为工程师,银河至尊app下载可能因为创造了一个寻找钉子的锤子而臭名昭著。. “银河至尊app下载喜欢设计和开发新事物, 但确保银河至尊app下载的设计植根于理解用户的真正需求,将有助于确保银河至尊app下载创建的内容是相关和有用的.”

这就是为什么合作是外科手术的基石. The engineers don’t know what the surgeons need; and the surgeons don’t know what the engineers can do. 通过建立这两个学科之间的联系,这些小组可以建立工具,帮助外科医生更好地完成他们的工作,并反过来引导更好的患者结果.

阿马迪奥说:“单靠工程师和外科医生往往无法想出可行的办法。. “只有当他们聚在一起时,奇迹才会发生.”

银河至尊app下载已经看到了这种加强合作的例子. 有些课程会让生物医学工程等工程学科的学生在学习初期就进入手术室, 为未来的外科合作播下种子. 外科医生和工程师们都提到了近年来开始出现的一些新的团体和事件,以强调他们之间的合作. 最近, 银河至尊APP与MD安德森癌症中心签订了合作协议 会看到几个德州工程师, 包括Alambeigi, 致力于终结癌症的创新项目.

John Uecker从各个角度见证了德州大学奥斯汀分校外科手术的兴起. 他是戴尔医院(Dell Med)微创外科部门的负责人,也是银河至尊APP奥斯汀分校ClearCam公司的高管, 它是和机械工程教授克里斯·里兰德(Chris Rylander)一起开发的,Alambeigi也是和谁合作的. 这个公司, 非常像一个外科初创公司, 并通过戴尔医药公司的德克萨斯健康催化剂实现, 制造了一种设备可以在腹腔镜在体内时清洁它的晶状体. 这就消除了将scope从体内取出的需要,并加快了手术的速度. 它使外科医生的生活更容易,因为肮脏的显微镜经常不得不在视力欠佳的情况下进行手术.

戴尔医院的崛起, Uecker说, 是否加速了以前分离工程师和临床医生的“竖井”的破坏. 随着这些墙开始崩塌,外科和工程之间的管道正在形成. Uecker说,他对这些合作创造了一个创新中心的方式感到兴奋, 周围都是不断壮大的创业公司,它们正迫不及待地想把这些发现商业化.

Uecker表示:“仍有很大的改进空间。. “随着这个创新区的发展,这个创新区正在奥斯汀和周围的外科手术中萌芽, 有巨大的潜力. 我想银河至尊app下载才刚刚开始.”