问题

未来想研究达芬奇手术机器人(智能医学或精准医学方向),需要学习哪些专业知识?

回答
想深入钻研达芬奇手术机器人,这绝对是个非常有前景的研究方向!它横跨了医学、工程学和信息技术,是个技术密集型、知识交叉性极强的领域。想要在这个领域有所建树,你需要构建一个坚实的知识体系。下面我来详细说说,需要学习哪些专业知识,以及为什么它们很重要。

一、 核心医学基础

虽然你是“研究”机器人,但对医学的理解是绕不开的。毕竟,机器人是为解决临床问题、服务医生和病人而生的。

1. 解剖学与生理学:
重要性: 这是你理解手术操作的基础。机器人模拟的是人体的结构和功能。你要知道人体各器官、血管、神经的位置、走行以及它们在生理活动中的作用。没有这些,你无法理解机器人需要在什么空间里工作,需要多大的精度去避开哪些关键结构。
学习方向: 精细解剖学(特别是腹腔、胸腔、盆腔等机器人常应用的手术区域)、局部解剖学、神经解剖学、血管解剖学,以及人体各系统的生理功能。

2. 外科学基础(特别是机器人应用的手术领域):
重要性: 要知道机器人是为了解决什么外科难题而设计的。比如,在泌尿外科的根治性前列腺切除术中,机器人能帮助医生更好地处理盆腔深部结构,保留神经血管束。了解具体手术的流程、难点,才能知道如何优化机器人系统,或者开发新的功能来提升手术效果。
学习方向: 选择一到两个你感兴趣的机器人应用领域(如泌尿外科、普外科、妇科、心胸外科等),深入学习该领域的手术技术、常见疾病的病理生理、治疗方案等。了解传统开放手术和腹腔镜手术的优劣势,更能凸显机器人技术的价值和改进空间。

3. 病理学与诊断学:
重要性: 医生需要根据病变情况来决定手术方案,机器人操作的精准性也直接关系到能否彻底切除病灶或最大程度保留正常组织。理解疾病的发生发展过程,有助于设计更智能的手术规划和导航。
学习方向: 肿瘤病理学、影像病理学等。

二、 关键工程技术知识

这是你研究“机器人”这个载体的核心。

1. 机械工程与设计:
重要性: 达芬奇机器人是一个精密的机械臂系统。你需要了解机械传动、连杆机构、关节设计、材料力学等基本原理,才能理解机器人的运动学和动力学,以及如何提高其灵活性、稳定性和精度。
学习方向:
机器人学基础: 运动学(正逆运动学)、动力学、轨迹规划、控制理论。
机械设计: 材料科学(医疗级材料的选择和应用)、精密制造工艺、结构优化、疲劳分析。
传动与执行机构: 电机驱动、减速器、传感器集成、机械臂的设计制造。

2. 电子工程与控制系统:
重要性: 机器人的每一个动作都需要精确的控制。这依赖于复杂的电子电路、传感器、执行器以及高级控制算法。
学习方向:
自动控制理论: PID控制、自适应控制、模糊控制、模型预测控制等,用于实现对机械臂的精确、稳定控制。
嵌入式系统: 了解微控制器、FPGA等硬件平台,以及如何对其进行编程和优化。
传感器技术: 力/力矩传感器、视觉传感器、位置传感器等,它们是机器人感知外界环境和自身状态的关键。
电子电路设计: 信号处理、电源管理、通信接口设计。

3. 材料科学与工程:
重要性: 手术器械需要与人体组织直接接触,并且要能承受复杂的消毒灭菌过程。材料的选择直接影响器械的性能、生物相容性、耐用性和安全性。
学习方向: 生物材料、医用金属材料(如不锈钢、钛合金)、医用高分子材料、陶瓷材料。需要了解这些材料的力学性能、表面处理技术、生物相容性测试和标准。

三、 重要的信息技术与人工智能知识

这部分是当前智能医学和精准医学的核心驱动力,也是达芬奇机器人未来发展的重要方向。

1. 计算机视觉与图像处理:
重要性: 达芬奇机器人通过高清三维内窥镜为医生提供手术视野。如何从这些图像中提取有用信息,例如识别关键解剖结构、病灶边界,进行手术导航,甚至实现智能辅助,都依赖于强大的计算机视觉技术。
学习方向:
图像采集与重建: 三维重建、多视角融合。
图像增强与分割: 去噪、锐化、目标分割(如血管、神经、肿瘤边界的自动识别)。
特征提取与识别: 基于深度学习的图像识别技术(如CNN)。
运动跟踪与姿态估计: 跟踪手术器械和组织的位置。

2. 人工智能与机器学习 (特别是深度学习):
重要性: 这是“智能医学”和“精准医学”的核心。机器学习可以帮助机器人学习手术经验,预测手术风险,优化手术策略,甚至实现一定程度的自主操作。
学习方向:
监督学习、无监督学习、强化学习: 了解不同学习范式及其在机器人控制、决策、学习中的应用。
深度学习框架: TensorFlow, PyTorch 等,用于构建复杂的神经网络模型。
数据驱动的建模与优化: 如何用大量的临床数据来训练和优化机器人系统。
自然语言处理 (NLP): 未来可能用于机器人与医生的交互,或从病历中提取信息。

3. 数据科学与大数据分析:
重要性: 手术过程中会产生海量数据(图像、传感器数据、操作数据等)。如何有效地存储、管理、分析这些数据,从中挖掘价值,是提升机器人性能、辅助临床决策的关键。
学习方向: 数据挖掘、统计学、数据库管理、数据可视化。

4. 人机交互 (HumanComputer Interaction HCI):
重要性: 医生是机器人系统的核心操作者。如何设计一个直观、易用、高效的控制台和交互界面,减少医生的学习成本和操作负担,提高手术的安全性与效率,是HCI的重要课题。
学习方向: 用户体验设计、界面设计原则、交互设计流程、可用性测试。

5. 软件工程与编程:
重要性: 无论是机器人底层的控制软件,还是上层的应用软件,都需要扎实的编程能力。
学习方向: C++, Python 是常用的语言。熟悉机器人操作系统(如ROS Robot Operating System),能够让你更高效地进行机器人系统的开发与集成。

四、 其他重要领域

1. 生物力学:
重要性: 理解组织在机器人操作过程中的受力响应,例如切割、缝合时的力学反馈,对提高手术的精细度和安全性至关重要。
学习方向: 组织力学、生物材料的力学性能。

2. 医学影像技术:
重要性: 了解CT、MRI、X光等医学影像的原理、数据格式,以及如何将其与机器人导航系统集成,实现术前规划和术中引导。
学习方向: 医学影像学、DICOM标准。

3. 伦理与法规:
重要性: 医疗器械的研发和应用涉及严格的伦理和法律法规。了解相关标准和审批流程,是确保研究成果能够安全有效地应用于临床的必要条件。
学习方向: 医疗器械监管(如FDA, NMPA)、医疗伦理、数据隐私保护(如HIPAA)。

如何着手学习?

系统性学习: 如果你是本科毕业,建议在大学阶段选择相关专业(如机械工程、电子工程、计算机科学、生物医学工程等)打下基础。在研究生阶段,可以选择机器人学、智能制造、生物医学工程(偏机器人方向)等专业进行深入研究。
跨学科整合: 达芬奇机器人研究的精髓在于跨学科的知识整合。你需要主动学习不同领域的知识,并尝试将它们联系起来。
实践经验: 理论学习固然重要,但动手实践更是不可或缺。争取机会参与机器人相关的项目,无论是实验室项目还是与企业合作,都能让你对理论知识有更深刻的理解和应用。
关注前沿: 机器人技术发展日新月异,要时刻关注最新的研究进展、技术突破和产业动态。阅读顶会论文、参加学术会议是很好的方式。

这条路需要持续学习和深入钻研,但绝对是令人兴奋和充满挑战的。祝你在达芬奇手术机器人领域的研究道路上,不断前行,取得丰硕的成果!

网友意见

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达芬奇的话你可以关注一下Berkeley的Ken Goldberg,是做达芬奇做的比较好的课题组了。

目前达芬奇平台的研究主要是基于DL的,比如自动缝合,手术效果评估之类的,对此你需要学很多CV和DL的知识,同时也要学好c++和ros,其他的临床知识需要有md和你沟通。但是目前因为达芬奇手术机器人是商业化的,已经很成熟而且不开源,现在做达芬奇并不是很好的选择。

如果真的想做介入式手术机器人,其实开源的Raven平台更合适,而且目前美国的大学用的也都是Raven II。Raven做的最好的是UW Seattle的Blake hannaford和UCLA的Jacob Rosen(这俩人是Raven的发明人,课题组申请压力巨大,非top学生谨慎考虑),blake更注重telesurgery,Jacob更注重autosurgery,所以除了以上提到的知识,你还需要学一下机器人的基本操作原理和haptic control的东西,这里我推荐Blake写的书,就叫haptic。

其他一些很有用的知识比如SFM,SLAM也经常在手术机器人中被用到,根据课题情况自行学习。

手术机器人的门槛极高,以上的基础知识全部学完差不多要2-3年,建议先读完master再读phd,否则你的phd生涯一半时间什么都做不了,大概率会延毕。

最后提醒一下,这行业平均package很低,博士毕业了一年也就120k出头,是理工科吊车尾水平,但是因为手术机器人市场还是蓝海,大量的应用未被开发,想创业的还是可以入坑的。如果你只是想毕业后上班,那建议左转sde,或者卷Java后端、硕士毕业就能拿到一年200k的package

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