外科医生将腹腔镜胆囊切除术描述为常规手术：在美国，每年进行60万例。手术程序始于腹部充气，在手术术语中，这只是一个花哨的说法，意思是将一根针穿过腹壁，然后像给足球充气一样给腹部充气。然后再次穿过腹壁，这次是用三个长而细的管状器械，称为穿刺器。你通过其中一个穿刺器送入腹腔镜——本质上是一个芯片摄像头——这样你就可以在电视显示器上看到你正在病人身体内部进行的操作。你的助手通过另一个穿刺器送入一个长柄器械，用它轻轻地抓住肝脏并将其抬开，以暴露胆囊。
你通过第三个穿刺器进行操作：首先用手术刀剥离胆囊周围的脂肪结缔组织；然后用结扎夹夹闭胆囊动脉和胆囊管。一旦你切断了两者，你就解除了你的劳动对象。你需要粉碎胆囊内发现的任何大结石，然后连同胆汁一起吸出。只有这样，你才能将萎陷的胆囊通过中空的穿刺器拉出，进入外部世界的严酷现实。你的病人几乎没有留下疤痕，第二天就可以回家了。
总而言之，这是一个非常普通的手术——但并非没有困难。首先，外科医生说，立体视觉会丧失——电视画面是二维的。他们还指出，腹腔镜手术笨拙且不易操作，他们将通过穿刺器末端进行操作比作隔着墙壁上的一个洞，用一支16英寸长的笔签名。事实上，如果不需要外科医生无法达到的手动灵巧度，许多其他手术也会采用腹腔镜技术——通常称为内窥镜检查。
那不是凡人外科医生。但考虑到这一手术障碍，全国各地的研究人员正在开发一项新技术，人类外科医生操纵的手术器械似乎延伸到病人的三维图像中，同时计算机完美地将外科医生的动作转化为机器在血肉之躯病人内部操作真实手术工具的平行动作。
军队上校里克·萨塔瓦（Rick Satava）坚称，这项技术的时机已经到来，他既是一名腹腔镜外科医生，也是政府高级研究项目局（ARPA）的项目经理。你所需的一切——从外科医生手的动作，到手术刀在脂肪组织上的感觉，再到腹部的图像（无论是来自视觉检查、X射线、磁共振、计算机断层扫描还是任何其他成像技术）——现在都可以分解成电子信息流，输入计算机，并在其他地方重构。“换句话说，”萨塔瓦说，“你可以把医学看作信息时代的另一个方面，我们过去认为是血肉的东西，现在只是比特和字节。这就是全部——它是在来回传输信息。”
ARPA现在每年投资数百万美元用于先进生物医学技术的研究和开发；在此过程中，萨塔瓦已成为一个蓬勃发展领域的倡导者和慈善远见家，这个领域由于没有更好的名称，可以称为远程存在手术。萨塔瓦喜欢称之为医学的未来：计算机技术、机器人技术、光纤通信、虚拟现实、高科技医疗诊断和手术的融合。“这是，”他说，“‘数字医生’时代的开始。”
当然，远程临场——有时被称为远程操作或远程机器人——不应与机器人技术混淆。远程临场从业者迅速指出，机器人，
在萨塔瓦的生物医学未来愿景中，外科医生将在计算机生成的虚拟尸体上通过手术模拟器练习技能；他们将通过机械肢体为数百英里外的患者进行手术；他们的专业知识，或任何医学专家的专业知识，将通过信息高速公路提供给当地医生、小城镇诊所，甚至战场。“医学正在发生根本性的变化，”萨塔瓦说。“所有医疗信息——X射线或实验室检查、血压或脉搏监测——现在都可以数字化。所有这些都可以以数字格式提供给医生或外科医生。现在我们只需闭合回路，让外科医生通过数字信息世界操纵并作用于患者。”
医学上的这一根本性变革建立在两个技术基础上：现实的增强和性能的提升。萨塔瓦并非完全是开玩笑，他将前者称为“赋予外科医生X射线视觉”。例如，从MRI或CT扫描中获取的诊断信息从患者身上提取，数字化，并以三维形式叠加到外科医生感知到的视觉信息之上。
这类技术已在波士顿布里格姆妇女医院等机构投入使用，该医院最近启用了其“未来手术室”。除其他富有远见的技术外，该手术室还包括一个开放的MRI扫描设备，以便外科医生在患者反复扫描的同时进行手术，扫描频率甚至可达每秒一次。位置传感器连接到外科医生的器械上，以便计算机能够记录它们在体内的确切位置，并在三维MRI数据中显示出来。因此，当外科医生工作时，他和放射科医生可以在显示器上观察手术的进展。费伦茨·乔莱兹（Ferenc Jolesz）曾是神经外科医生，也是布里格姆项目的负责人，他将这种效果比作飞机驾驶员飞越最近未绘制地图的土地。“道路改变了，有新桥梁，有新建筑，”他指出。“但如果你在飞机机翼下安装一个摄像头，你可以获得实时信息并将其用于导航。”
然而，这场外科革命的技术实力真正的考验将在于性能增强领域。性能增强不是为外科医生提供更多信息，而是以遥控机械装置的形式赋予超人技能。
以加州SRI国际公司开发的远程临场手术系统为例。该设备由SRI电气工程师菲利普·格林（Philip Green）发明，他自20世纪60年代以来一直致力于医疗诊断设备的研发。其目标是将腹腔镜手术从笨拙的操作转变为轻松的操作。为此，格林希望创造一种强大的视错觉，让外科医生相信他们正在进行开腹手术。然而，实际上，他们将通过连接到计算机的器械进行操作，计算机将转换他们的动作并控制格林称之为“远程操纵器”的设备，该设备将对患者进行实际手术。
“我们拥有的是一个外科医生的控制台，”格林解释道。“外科医生看向控制台，看到病人腹部内部的三维图像。”然后外科医生将手伸入控制台，抓住真实的器械手柄，这些手柄看起来像是病人内部实际手术器械的延伸。“然后他只需像在面前进行手术一样操作。他能感觉到组织，缝合时缝线的触感……”
该设备部分由腹腔镜组成，腹腔镜使用两个芯片摄像头代替外科医生的两只眼睛来捕捉腹腔内场景的立体图像。数字化信息显示在外科医生头顶的屏幕上，并通过放置在病人通常躺卧位置上方的一面镜子反射。“你没有看显示器的感觉，”格林说。“你有看一个三维世界的感觉。”两个手术器械的手柄从镜子下方伸出。然而，它们只是连接到镜子下方某个位置控制台的半截器械；另一半由远程操纵器握持，并通过穿刺器插入实际病人体内。它们作为图像出现在镜子上。“当外科医生向下看时，”格林说，“看到的是完整的器械。当他触摸某物时，他会感觉到阻力。”
一个计算机算法接收由外科医生控制的“主”器械的动作，并将其转化为“从”远程操纵器的指令，从而使远程操纵器控制的器械精确模仿外科医生手中的器械动作。真实器械上的位置和力传感器通过计算机发送位置和力信息；计算机将这些信息转化为外科医生可以通过半截器械手柄感受到的感觉。
“你甚至可以感受到不同的质地，”格林说。“我们还会反射回声音——例如刮擦或敲击声。作为辅助反馈来增强你的触觉，它的效果惊人。如果你将机械臂移过某个粗糙的物体，那种振动会传回到你的手上。如果你同时听到那种噪音，它会使体验更加强烈。”
该设备尚未用于实际手术。但据曾作为临床顾问与格林合作的萨塔瓦说，在假人身上练习的外科医生发现格林设备创造的幻觉非常逼真，以至于他们试图将手伸入腹部的反射图像中，试图用空闲的手辅助手术。当然，患者可能不像外科医生对这种现实版本那么舒服。但对于那些可能对远程控制设备移除他们某个器官的想法感到有点焦虑的人，格林有一个令人印象深刻的演示。他所做的只是用拇指和食指夹住一颗葡萄，而挥舞着手术刀的远程操纵器——由外科医生远程控制——将葡萄整齐地切成薄如刀片的薄片。
这样的设备也可以在手术室外发挥作用。在萨塔瓦的设想中，遥控远程操作员将完美地成为未来野战救护车的固定装置。野战手术是萨塔瓦非常了解的领域。他是格林纳达少数几位野战医院外科医生之一——“绝对是一段有趣的经历，”他说——并在海湾战争期间在第八疏散医院服役了六个月。“90%的伤亡发生在前线，”萨塔瓦说。“但其中大约一半的人实际上没有致命伤。他们死于等待被发现，或者被发现后，在返回途中无法稳定。”通过远程临场，在前线后方基地医院工作的外科医生将能够迅速为在激烈战斗中受伤的士兵进行手术。
增加外科医生的字面可及范围是增强性能的一种方式；提高手眼协调性是另一种方式。这正是史蒂夫·查尔斯（Steve Charles）的目标。查尔斯是孟菲斯的一位眼科外科医生，已经进行了超过15000例手术，他在创建一个专门旨在增强灵巧度的远程临场手术系统中发挥了关键作用。
五年前，查尔斯，同时也是一位机械和电气工程师，开始思考如何电子控制和定位他设计的微型手术器械，这些微型电动工具被他描述为小小的“带杆电动剃须刀”或“大小为0.033英寸的绿篱修剪机”。他向不同的外科专家询问他们想做但身体上做不到的手术。耳科医生告诉查尔斯，他们想在半规管上进行手术，但半规管太小。眼科医生在视网膜表面操作时遇到困难。神经外科医生说他们想在大脑底部工作，但很难做到。“许多人认为激光手术解决了这些问题，”查尔斯说，“但激光会产生传播压力波，就像一连串的小爆炸。这意味着可能会造成远端损伤。”
查尔斯设计的两部分装置——由保罗·申克尔（Paul Schenker）和他在帕萨迪纳喷气推进实验室的同事开发——可以舒适地放在桌面上。第一部分是一个铝盒，从中伸出一个器械手柄——主控制臂——大小相当于一支大钢笔。从另一个稍大的盒子中伸出从动臂。从动臂直径约一英寸半，长六英寸，它有七个关节，使其能够模仿任何人类动作。
查尔斯可以轻易列举出微型灵巧系统将赋予外科医生的优势，其中包括他所称的“位置降级”。“手术显微镜是做什么的？”他问道。“它放大你的视野，扩大工作空间，从而增强你的视觉系统。而这个系统可以缩小你的定位动作。你移动一英寸，它只移动半英寸或四分之一英寸。最终效果是像精细聚焦旋钮一样提高你的灵巧度。”计算机还可以感知即使是最稳定的外科医生手部的非自主颤抖，并将其从发送给从动臂的信号中去除。当机械臂模仿外科医生的动作时，它会以人类无法企及的冷血冷静来完成。最后，查尔斯说，该系统允许外科医生预设远程操作员不应超过的任何坐标。“例如，如果我从训练中得知，我想切割的组织只有100微米深，”他解释道，“我可以设置一个100微米的深度层，这样当我钻穿组织或骨骼时，我就不会钻得太远。”
查尔斯已经在与主要的医疗保健分销公司洽谈推广他的微型灵巧系统，但他首先希望将成本降到每个医院都能购买一套、每位外科医生都能使用一套的水平。这意味着要降到10万美元以下。“我认为我们离进入市场大约还有一年半的时间，”他说，“离在我自己的机构中为患者进行手术还有半年时间。”
伊恩·亨特（Ian Hunter）正在展望更远的未来，他所构想的可能是终极手术训练工具和远程操作器。去年四月，亨特——一位仪器科学家——将他的实验室整体从蒙特利尔的麦吉尔大学搬到了麻省理工学院，在那里他致力于将信息革命的所有技术结合成一个几乎令人难以置信的整体。
搬家前几年，他和他的实验室同事们建造了亨特称之为远程操作微型机器人。它是一种遥控设备，有两个肢体，每个肢体都能以4000亿分之一英寸的精度移动。它的结构使得当你操纵主控制器时，你的动作会瞬间缩小高达一百万倍。这使得微型机器人能够用它的两个肢体尖端夹住一个活细胞——亨特曾用这种技能对分离的肌肉细胞进行实验。微型机器人不仅能在微观尺度上模仿你的动作，你还能感受到它在夹持细胞时所受到的力：就像微型机器人的动作被缩小一样，它感受到的力被放大了。亨特声称这是科学上的首次。“通过这个主从系统，”他说，“我们能够将肌肉细胞的微观世界提升到人类尺度。”
四年前，亨特开始为他的系统寻找实际应用。和查尔斯一样，他在眼科手术中找到了一个应用；他遇到了一位著名的外科医生，这位外科医生告诉他，他的大部分实践都涉及纠正其他眼科医生造成的损伤。“这似乎很清楚，”亨特说，“显微外科的某些领域已经成熟，可以注入显微外科机器人。所以我们决定开发一个眼科手术系统。这些技术也适用于显微外科的其他领域，但你必须专注于某个领域。”
亨特的眼科系统设有一个主从远程临场外科医生和一个立体头部，从微型外科机器人正上方的一个视角观察手术，以供人类外科医生使用。然而，该视角由佩戴虚拟现实头盔并带有位置传感器的人类外科医生控制；这些传感器将数据发送到立体头部中的两个小型芯片摄像头，摄像头随后忠实地跟随外科医生的头部运动。“你移动头部，”亨特说，“从动摄像头头部也会做同样的移动，并为你呈现它所观察到的事物的立体彩色图像。”亨特说他已经拥有了更精细的眼球追踪技术，以便从动眼能够跟随外科医生的眼球运动，但他尚未决定是否将其整合到他的远程临场手术系统中。
亨特系统最令人印象深刻的或许是它的速度。从动头部和从动外科医生都能比人眼本身移动得更快。这意味着在眼科手术中，从动外科医生可以定位在眼睛上的一个点——例如，要进行手术切口的地方——然后完美地保持在该点上方，无论眼睛如何快速眨动。“一只快速移动的眼睛每秒可以移动800到900度，”亨特说，“而我们的设备每秒可以移动超过几千度。”之所以能做到这一点，是因为从动头部中有一个第二跟踪系统，它可以检测到正在手术的眼睛的运动，并相应地移动从动头部和从动外科医生。因此，人类外科医生，他将远程进行手术并以从动头部所见的方式观察眼睛，“将不会看到一个移动的眼睛，而是一个稳定的眼睛，”亨特解释道。
里克·萨塔瓦指出，通过为外科医生提供一个固有的稳定目标，亨特的远程外科医生还应该能够在颠簸行驶的战地救护车上进行手术。亨特补充说，这可能对心脏直视手术大有裨益。由于无法在跳动、移动的心脏上进行手术，外科医生需要停止心脏，然后进行搭桥手术。他说：“如果你正在开发一种心脏手术机器人，一个非常理想的特性是让它比心脏更快，这样你就可以相对于心脏稳定它，并在心脏仍在为病人泵血时进行手术。”
然而，所有这些都只是现实。亨特的系统能够超越现实——创建一个虚拟现实手术训练系统，外科医生可以在其中学习如何在患者眼睛的三维、计算机生成、全彩色图像上进行手术。这个虚拟眼睛可以编程得非常真实，如果外科医生用虚拟光线照射其虚拟视网膜，虚拟瞳孔就会收缩。
控制真实手术系统中从属手术刀的主控器械也控制虚拟现实系统中的虚拟从属手术刀。“当虚拟从属与虚拟现实组织接触时，”亨特说，“我们会计算如果它是真实的会产生的力，并将其反馈给主控。因此，外科医生可以在真实的眼睛、模型眼睛或动物眼睛上进行手术，也可以在虚拟环境中进行相同的操作。”
结果是一个手术训练系统，它为外科医生提供了一个飞行模拟器为飞行员提供的东西，坦率地说，这是一种在不危及任何人生命的情况下学习这门手艺的方法。然而，外科医生不是坐在模拟器中观看外部的虚构世界，而是戴上头戴设备，通过它可以看到他的虚拟病人，握住他的主控制器，然后在计算机内部进行切割。“这将允许外科医生一遍又一遍地在虚拟尸体上练习他们的手术程序，”萨塔瓦说。“最终我们将能够整合来自X射线、MRI扫描和CT扫描的诊断信息，外科医生将能够生成解剖学和疾病的患者特定模型。他们会在前一天晚上在这些虚拟病人身上练习，并在第二天进行实际操作。”
无论发生什么，外科手术都将一劳永逸地改变。萨塔瓦和格林预见到在不远的将来，当地医院甚至医生诊所都将能够拥有远程操作手术机器人，而外科专家将在数百英里外的医疗中心进行手术。“这是一种无需亲自动手就能更好地进行手术的方式，”萨塔瓦说。“病人身在何处已经不再重要。这对医疗保健和病人来说都是好事。”
这种技术幻想是否可行，这是一个悬而未决的问题。计算机和机器人技术的速度和能力正在指数级增长，今天只能想象的许多东西很可能在不久的将来成为现实。然而，一些外科医生担心远程临场手术只对非常专业的操作有用，例如腹腔镜手术。他们还为必须解决的伦理和技术问题感到困扰，然后才能在没有外科医生在场的情况下进行手术。一位外科医生问道，如果血液喷溅到摄像头镜头上，或者机器人手臂或计算机中的电路烧坏了怎么办？远程临场技术的倡导者承认可能会出现此类问题，但指出外科医生在手术过程中也可能心脏病发作，或者事先喝了太多啤酒。
约翰·西格尔（John Siegel）是纽瓦克新泽西医学院大学医院新泽西创伤中心的负责人，他认为这种回应有点过于简单。例如，如果在腹腔镜手术中出现问题，活生生的外科医生可以立即打开腹腔，然后用手进行操作。远程临场外科医生将束手无策。此外，外科医生通常团队合作，所以如果一位外科医生生病，另一位通常可以接替。此外，外科医生的手作为手术工具，其重要性不亚于手术刀或激光束。“例如，当你处理腹部和胸部严重伤口时，”西格尔说，“许多器官可能会受伤。在大量城市战场的穿透伤中，你是在血泊中工作。很多操作都是凭感觉而不是器械完成的。能够将手伸进去摸索，以及你为了达到那种控制力通常需要达到的速度，是关键。”
不过，他说，远程呈现的潜力在手术室中是显而易见的。他只是不希望它在准备好之前就进入手术室。“人们不应该认为这仅仅是工作室里的一种技术，”他指出。“据我所知，没有人真正在这些情况下从头到尾完成过一次完整的手术程序——即使是在动物身上。从概念到在临床环境中实际实施，还有很多工作要做。但这正是研究的意义所在。”
与此同时，伊恩·亨特并不太担心今天实施他的技术——“我们谈论的是在这种系统进入商业世界之前需要多年的监管测试”——而是关于“大步前进”的创新。例如，短期内，他有一个为他的从属机器人设计微型人造手的想法。“我们现在有微型手术从属机器人握持的传统眼科手术工具，”他说，“但最终你想要的是微型手术机器人末端有一个非常精密的微型手，这样在人手的控制下，你就可以进入并抓住组织。”
再往后看，亨特有一个更奇妙的想法。尽管他的手术机器人小到可以进行显微手术，但它们本身并非微观。“未来的一个主要挑战，”他说，“是制造真正微观的微型机器人。换句话说，能够自主在体内导航，发送诊断信息，输送药物，并最终进行手术的设备。”
“那不是短期研究。然而，那也不是幻想。”
