醫(yī)用外科機(jī)器人應(yīng)用和研究進(jìn)展

桂海軍 綜述 張?jiān)娎?沈國(guó)芳 審校

醫(yī)用外科機(jī)器人應(yīng)用和研究進(jìn)展

桂海軍 綜述 張?jiān)娎?沈國(guó)芳 審校

機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)外科手術(shù)模式產(chǎn)生革命性的變化，目前研究主要集中于腦神經(jīng)外科、整形外科、骨科等領(lǐng)域，已顯示出良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。為促進(jìn)我國(guó)醫(yī)用外科機(jī)器人技術(shù)的研究和發(fā)展，結(jié)合國(guó)內(nèi)外典型外科手術(shù)機(jī)器人的研究和應(yīng)用狀況，就外科機(jī)器人所涉及的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和發(fā)展前景進(jìn)行綜述。

醫(yī)用機(jī)器人 計(jì)算機(jī)輔助手術(shù) 遠(yuǎn)程手術(shù) 圖像處理

自1959年“機(jī)器人之父”Joe Engelberger研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來[1]，機(jī)器人歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天、軍事、家庭、服務(wù)等各領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用并展現(xiàn)巨大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。為了解決傳統(tǒng)外科手術(shù)存在的精度不足、切口較大、輻射較多、操作疲勞等問題，人們開始探討如何將機(jī)器人技術(shù)引入外科手術(shù)領(lǐng)域，借助機(jī)器人、傳感器、控制器等技術(shù)的自身優(yōu)勢(shì)，為外科醫(yī)生提供全新的方法及系統(tǒng)，以解決上述問題，改善手術(shù)效果。

1 外科機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

醫(yī)用外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)架遵循建模、規(guī)劃和執(zhí)行3個(gè)原則。建模階段完成圖像采集、處理和分析，規(guī)劃階段確定手術(shù)方案，執(zhí)行階段是借助手動(dòng)或自動(dòng)化器械及設(shè)備輔助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)手術(shù)方案。醫(yī)用外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)整合了智能器械（機(jī)器人）與自動(dòng)控制技術(shù)，能夠以成像設(shè)備和傳感器等為工具，直接或者間接地引導(dǎo)操作實(shí)現(xiàn)手術(shù)微創(chuàng)。

1.1 輔助規(guī)劃導(dǎo)航子系統(tǒng)

隨著圖像學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開始能夠利用二維影像重構(gòu)三維圖像，重構(gòu)的三維圖像和手術(shù)器械跟蹤技術(shù)相結(jié)合，形成了計(jì)算機(jī)輔助規(guī)劃導(dǎo)航系統(tǒng)。這類系統(tǒng)通常用于術(shù)前規(guī)劃模擬和術(shù)中導(dǎo)航，不直接參與手術(shù)操作，具有極好的安全性，被醫(yī)生普遍接受，目前已廣泛用于臨床，并形成產(chǎn)品。基于CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建的技術(shù)出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代。Vannier等[3]進(jìn)行了相關(guān)的大量的研究，將患者術(shù)前的數(shù)字化掃描信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)工作站，經(jīng)過三維重建，圖像配準(zhǔn)和融合等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃并模擬手術(shù)。1987年，Kelly等[4]開發(fā)了一套機(jī)器人輔助神經(jīng)外科手術(shù)的系統(tǒng)，即Mayo Clinic System。該系統(tǒng)將CT、MRI及DSA結(jié)合，通過對(duì)腫瘤的三維重建來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)439名患者進(jìn)行了447次的立體定向穿刺活檢。Vannier和Kelly等利用CT/MRI/DSA信息進(jìn)行三維重組和圖像引導(dǎo)輔助手術(shù)規(guī)劃和模擬的工作具有一定的開創(chuàng)意義。目前的計(jì)算機(jī)輔助規(guī)劃導(dǎo)航系統(tǒng)主要有兩種：一是基于機(jī)械臂定位儀的系統(tǒng)，典型代表是加拿大ISG公司推出的觀察棒Viewing Wand[5]，該系統(tǒng)就是基于CT圖像和機(jī)械臂進(jìn)行手術(shù)干預(yù)的。該系統(tǒng)采用了基于解剖學(xué)特征的圖像空間和手術(shù)空間的映射方法，在器械跟蹤上開發(fā)了一個(gè)專用的多關(guān)節(jié)“數(shù)字式”機(jī)械臂，在常規(guī)應(yīng)用中，該系統(tǒng)的典型精度為2～3 mm，在無框架立體定位活檢中，精度可達(dá)1 mm。在發(fā)達(dá)國(guó)家，Viewing Wand已獲得較為廣泛的臨床應(yīng)用,它對(duì)于組織活檢、手術(shù)引導(dǎo)、腫瘤的定位和切除等具有重要的意義；二是基于光學(xué)定位儀的系統(tǒng)，目前最常用的是紅外線視覺跟蹤系統(tǒng)，典型代表是史塞克公司的Stryker-Leibinger導(dǎo)航系統(tǒng)[6]，該系統(tǒng)采用了基于標(biāo)記點(diǎn)的圖像空間和手術(shù)空間的映射方法，標(biāo)記點(diǎn)在手術(shù)前被置于病人身上，在器械跟蹤上采用紅外光學(xué)跟蹤機(jī)制，將示蹤器置于骨或手術(shù)器械，另一個(gè)重要組件是帶有光學(xué)傳感器的相機(jī)，它可以接受來自示蹤器的紅外線信號(hào)，然后經(jīng)過三角測(cè)量，獲得示蹤器的相對(duì)空間位置。

國(guó)內(nèi)也報(bào)道了基于CT的三維手術(shù)仿真平臺(tái)的建立，2005年上海交通大學(xué)和上海第二醫(yī)科大學(xué)合作開發(fā)的三維手術(shù)仿真平臺(tái)可以進(jìn)行牙頜面畸形的診斷，術(shù)前預(yù)測(cè)及模擬，從而使正頜外科手術(shù)更為精確[7]。2003年，第四軍醫(yī)大學(xué)的龔振宇等[8]用螺旋CT數(shù)據(jù)資料建立起顱面三維模型，并進(jìn)行了整形手術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，為顱頜面畸形損傷腫瘤的診斷和治療提供了重要依據(jù)。

1.2 輔助操作子系統(tǒng)

目前導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在臨床廣泛使用，其導(dǎo)航精度可達(dá)到0.3 mm級(jí)別，而由于手術(shù)操作中人為及工具操作誤差的存在，實(shí)際操作中難以完全實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航效果。輔助操作子系統(tǒng)主要是針對(duì)這樣的問題，利用機(jī)器人操作精度高的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)提高手術(shù)質(zhì)量的目的。輔助操作子系統(tǒng)的代表是用于無水泥全關(guān)節(jié)置換手術(shù)的機(jī)器人輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由輔助規(guī)劃系統(tǒng)、輔助操作機(jī)器人和安全檢測(cè)系統(tǒng)3部分組成。根據(jù)輔助操作機(jī)器人自動(dòng)化的程度，外科機(jī)器人輔助操作子系統(tǒng)可大致分為3類：①自主系統(tǒng)，即機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)的程序執(zhí)行手術(shù)操作或通過編程獨(dú)立完成操作，典型代表是RoboDoc機(jī)器人系統(tǒng)?；谳斎氲臄?shù)據(jù)和程序，RoboDoc可以進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，并且使用專門的鉆頭完成骨骼處理。②主從（遠(yuǎn)程手術(shù)）系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，機(jī)器人輔助操作系統(tǒng)執(zhí)行術(shù)中術(shù)者的操作指令，典型代表是ZEUS機(jī)器人系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)主從手，醫(yī)生操作主手手柄，并通過控制臺(tái)上的顯示器觀看由內(nèi)窺鏡拍攝到的病人體內(nèi)情況，從手由兩個(gè)機(jī)械臂和一個(gè)控制內(nèi)窺鏡的機(jī)械臂組成。遙操作系統(tǒng)是將術(shù)者的操作信息數(shù)據(jù)化后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控機(jī)器人執(zhí)行手術(shù)操作。③被動(dòng)系統(tǒng)，非自動(dòng)化設(shè)計(jì)，僅傳遞術(shù)者的手部動(dòng)作，目前僅應(yīng)用于常規(guī)手術(shù)中，典型代表是瑞士推出的Medvision系統(tǒng)[9]，醫(yī)生利用該系統(tǒng)進(jìn)行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)時(shí)，無需術(shù)中CT等影像學(xué)導(dǎo)航，術(shù)者在直視下操作機(jī)械臂進(jìn)行操作，具有較好的靈活性和安全性。

2 外科機(jī)器人技術(shù)發(fā)展歷程概述

2.1 基于工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)的外科機(jī)器人技術(shù)

早期的外科機(jī)器人系統(tǒng)大都采用工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)。1985年，Kwoh等[10]報(bào)道了第一例醫(yī)用機(jī)器人，該小組利用Puma 200工業(yè)機(jī)器人完成了腦部腫物活組織穿刺中探針的導(dǎo)向定位，結(jié)果顯示機(jī)器人操作不僅明顯快于手動(dòng)調(diào)試操作，且使穿刺定位精確度得以明顯提高。1989年，英國(guó)的皇家學(xué)院機(jī)器人技術(shù)中心利用實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)的6自由度Puma機(jī)器人順利實(shí)施了前列腺切除術(shù)，手術(shù)時(shí)間比傳統(tǒng)手術(shù)時(shí)間明顯縮短[11]。CASPAR（計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)規(guī)劃和機(jī)器人系統(tǒng)）是一個(gè)類似的系統(tǒng)，它采用的是Stabuli RX 90工業(yè)機(jī)器人，可以進(jìn)行全髂或全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的骨骼磨削和前交叉韌帶重建術(shù)的隧道入點(diǎn)定位，磨削精度可達(dá)0.1 mm[12]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在醫(yī)用機(jī)器人方面也進(jìn)行了相關(guān)的研究。自1995年起，北京航天航空大學(xué)和解放軍海軍總醫(yī)院合作開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人輔助神經(jīng)外科系統(tǒng)，并于1997年聯(lián)合研制了第一代基于Puma 262工業(yè)機(jī)器人的腦外科機(jī)器人輔助定位系統(tǒng)CRAS[13]，并成功開展了臨床應(yīng)用，填補(bǔ)了我國(guó)醫(yī)用機(jī)器人研究的空白，目前該系統(tǒng)已開發(fā)到第五代[14-15]，手術(shù)的自動(dòng)化程度、精確度、安全性都得到顯著改善。該系統(tǒng)于2005年取得了神經(jīng)外科機(jī)器人系統(tǒng)的臨床許可證，并進(jìn)入了北京市的醫(yī)保項(xiàng)目。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)推廣到20多家醫(yī)院，成功完成了5 000多例神經(jīng)外科立體定向臨床手術(shù)。2002年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了基于Motoman工業(yè)機(jī)器人的骨折手術(shù)治療機(jī)器人試驗(yàn)平臺(tái)[16]。這些研究和應(yīng)用大大促進(jìn)了我國(guó)醫(yī)用機(jī)器人事業(yè)的建立和發(fā)展，豐富了外科手術(shù)的治療理念和手段。但是，這些工作大都是基于工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)，由于機(jī)器人設(shè)計(jì)之初的理念及作用不同，應(yīng)用于臨床還是存在很大的限制。

2.2 專用外科機(jī)器人技術(shù)

專用外科機(jī)器人出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代后期。1987年，美國(guó)ISS公司推出了NeuroMate機(jī)器人系統(tǒng)，采用機(jī)械臂和立體定位架來完成神經(jīng)外科立體定向手術(shù)中的導(dǎo)向定位，并于1999年推出了無框架版本，大大減輕了手術(shù)創(chuàng)傷[16-18]，獲得了美國(guó)FDA的認(rèn)證。1988年，加利福尼亞大學(xué)的Davis和MB公司合作，將SCARA機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，在末端操作器上裝配鉆頭和6自由度壓力傳感器來進(jìn)行切削和調(diào)校，通過視覺系統(tǒng)保證切削手術(shù)的安全性[19-20]，開發(fā)出第一臺(tái)可用于髂骨置換手術(shù)的機(jī)器人。1991年，研制了第一臺(tái)用于臨床切除甲狀腺的機(jī)器人Probot[21]，隨后Harris等[22]改進(jìn)開發(fā)出甲狀腺切除專用外科機(jī)器人系統(tǒng)。同年，ISS公司推出了全球第一個(gè)骨科手術(shù)機(jī)器人產(chǎn)品，即著名的RoboDoc，是一種主動(dòng)式機(jī)器人系統(tǒng)，包括一臺(tái)用于術(shù)前規(guī)劃的計(jì)算機(jī)和1臺(tái)安裝抓持、切削裝置的5軸機(jī)械臂，以及一個(gè)機(jī)器人操控平臺(tái)，通過編程獨(dú)立完成操作?；谳斎氲臄?shù)據(jù)和程序，RoboDoc可以進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，自動(dòng)使用專門的鉆頭完成骨骼處理，1992年7月該系統(tǒng)完成了第1例全髖置換手術(shù)[23]。1994年，Computer Motion公司研究第一種用于微創(chuàng)手術(shù)的醫(yī)用機(jī)器人：內(nèi)鏡自動(dòng)定位系統(tǒng)—伊索，這是一種能由手術(shù)醫(yī)師聲控的“扶鏡”電子機(jī)械手[24]，并于1997年3月在比利時(shí)布魯斯?fàn)朣t Pierre醫(yī)院完成了第一例腹腔鏡膽囊切除術(shù)。目前，已經(jīng)商業(yè)化并被FDA批準(zhǔn)應(yīng)用于外科手術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)主要有伊索系統(tǒng)、宙斯系統(tǒng)、達(dá)芬奇系統(tǒng)，后兩者是遠(yuǎn)程操作外科機(jī)器人。

國(guó)內(nèi)在2000年由海軍總醫(yī)院成功研制出第一臺(tái)用于腦外科手術(shù)的被動(dòng)機(jī)器人[25]，并對(duì)患者進(jìn)行了手術(shù)。手術(shù)時(shí)，首先是定靶（通過掃描將CT掃描圖像輸入計(jì)算機(jī)，屏幕即可顯示患者病灶的三維圖像）；其次是定標(biāo)（在計(jì)算機(jī)上鎖定病灶，制訂手術(shù)方案，設(shè)定手術(shù)空間，并由機(jī)器人模擬空間匹配）；最后實(shí)施手術(shù)。在隨后的研究中又陸續(xù)開發(fā)了主動(dòng)式腦外科機(jī)械臂[26]，有效提高了手術(shù)可操作性和精度。2004年，香港中文大學(xué)研發(fā)生產(chǎn)了第一臺(tái)手術(shù)導(dǎo)航機(jī)械臂的樣機(jī)[27]，并應(yīng)用于臨床，準(zhǔn)確完成了骨科手術(shù)中最常用的操作，在導(dǎo)航監(jiān)控下鉆孔上螺釘。目前，已將該導(dǎo)航臂應(yīng)用于骨盆骨折的髂骨經(jīng)皮螺釘固定、骶骨螺釘固定、股骨頸空心螺釘及髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端交鎖等手術(shù)，并取得了成功。為更好輔助醫(yī)生完成顯微外科手術(shù)，2006年天津大學(xué)成功研制主從異構(gòu)顯微外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)“妙手（MicroHand）”系統(tǒng)[28]?！懊钍帧毕到y(tǒng)的主手為商業(yè)化具有力反饋功能的Phantom Desktop主手，從手為自主開發(fā)的針對(duì)顯微外科血管縫合而設(shè)計(jì)的[29]，實(shí)現(xiàn)了顯微外科的精確操作。

2.3 小型模塊化外科機(jī)器人技術(shù)

進(jìn)入21世紀(jì)，受微創(chuàng)外科的影響，醫(yī)用外科機(jī)器人出現(xiàn)小型化、模塊化甚至可人體安裝化的趨勢(shì)。微型模塊化機(jī)器人首先被應(yīng)用于協(xié)助改進(jìn)傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡檢查。1999年，Dario等[30]利用半自動(dòng)化的微型機(jī)器人改進(jìn)了常規(guī)結(jié)腸鏡檢查術(shù)，結(jié)果顯示該技術(shù)不僅使結(jié)腸鏡檢查更可靠，也為其在腔內(nèi)診斷、治療領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。2001年，Mazor公司推出了小型并聯(lián)的脊柱外科機(jī)器人SpineAssist[31]，高度不足70 mm，質(zhì)量不過200 g，可直接安裝在骨骼上，顯著提高了脊柱手術(shù)中的椎弓根螺釘與椎板關(guān)節(jié)突螺釘安置的定位精度和穩(wěn)定性[32-33]，該系統(tǒng)已經(jīng)獲得了FDA認(rèn)證。2002年，德國(guó)學(xué)者開發(fā)了心臟手術(shù)輔助機(jī)器人Cargo Model[34]，實(shí)現(xiàn)了在密閉胸腔內(nèi)將術(shù)區(qū)的手術(shù)器械、組織以及血管等安放到術(shù)者期望的位置，該系統(tǒng)作為常規(guī)心臟微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的輔助裝置，為術(shù)者提供了更優(yōu)化的手術(shù)入路和操作空間。2004年，Praxim Medivision公司研制了用于全膝置換的骨骼磨削小型機(jī)器人Praxiteles[35]，也可直接安裝于骨骼上。同年，日本東京大學(xué)研制了5自由度小型鏈?zhǔn)綑C(jī)器人，用于前交叉韌帶重建手術(shù)中的隧道鉆孔[36]。2005年，Wolf等[37-38]先后研制了可以安裝在骨骼上的脊椎手術(shù)輔助機(jī)器人和用于關(guān)節(jié)成形時(shí)骨切削的MBARS小型并聯(lián)機(jī)器人。同年，Pstronik等[39]研制了可安裝于心包膜下的機(jī)器人HeartLander，該系統(tǒng)經(jīng)由劍突下切口入路，依附于心外膜，在醫(yī)生的操作下為搏動(dòng)中的心臟心包內(nèi)手術(shù)提供導(dǎo)航。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)器人心臟手術(shù)技術(shù)，這種新模式可避免心臟固定，消除準(zhǔn)入限制。此外，它對(duì)肺通氣緊縮和通氣差別無要求，從而使心臟手術(shù)門診化成為可能。在最新的研究中，匹茲堡大學(xué)利用HeartLander機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了在搏動(dòng)的心臟上的心外膜注射，為促進(jìn)心衰患者微創(chuàng)細(xì)胞移植治療提供了重要參考[40]。

國(guó)內(nèi)從2002年開始，北京航天航空大學(xué)聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京積水潭醫(yī)院等單位，在國(guó)家863計(jì)劃資助下開展了微創(chuàng)骨科手術(shù)系統(tǒng)的研究工作。針對(duì)傳統(tǒng)方法中存在的手術(shù)精度、X線損傷等問題，成功開發(fā)了小型模塊化骨科機(jī)器人系統(tǒng)，從模塊化角度出發(fā)，針對(duì)臨床需求，巧妙地把C型臂、圖像采集、機(jī)器人和導(dǎo)航結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了并聯(lián)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)非常緊湊，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)也不會(huì)對(duì)患者造成任何傷害，非常適合臨床使用[41]。該系統(tǒng)至今已完成61例臨床手術(shù)，手術(shù)成功率100%。2003年，上海交通大學(xué)開發(fā)出用于腸腔檢查的微型內(nèi)窺鏡機(jī)器人[42]，并在隨后的研究中進(jìn)行改進(jìn)，于2005年開發(fā)出的蚯蚓式貼壁爬行機(jī)器人[43]和2008年開發(fā)出的無線模塊[44]，使機(jī)器人在腔內(nèi)的探測(cè)和圖像傳輸更加實(shí)時(shí)逼真。為解決全膝置換手術(shù)中夾具種類繁多、操作繁瑣、股骨力學(xué)難以確定等問題，2004年上海交通大學(xué)與上海第二醫(yī)科大學(xué)合作，設(shè)計(jì)了一套新型的適用于全膝置換手術(shù)的組裝夾具，包括一個(gè)7自由度的可調(diào)式的支撐臂以及一套5自由度的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂,通過骨夾將病人的患肢與機(jī)械臂及支撐等手術(shù)器械剛性連接起來[45]，該系統(tǒng)小巧緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)使手術(shù)操作更加靈活便利。在腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人方面，天津大學(xué)與巴黎第六大學(xué)合作研制出微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人MC2E系統(tǒng)[46]，該系統(tǒng)具有4自由度，可直接安裝在人體上方，并有力反饋裝置，目前已進(jìn)行動(dòng)物（豬）心臟實(shí)驗(yàn)。2007年至2009年，清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、東南大學(xué)等在微創(chuàng)血管支架數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造、心血管介入微器械、軟組織穿刺等方面也展開了相關(guān)研究工作[47-48]。

2.4 虛擬臨場(chǎng)手術(shù)機(jī)器人技術(shù)

虛擬臨場(chǎng)外科是在機(jī)器人遠(yuǎn)程操作技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，虛擬臨場(chǎng)手術(shù)機(jī)器人技術(shù)是機(jī)器人輔助外科手術(shù)系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）相結(jié)合的輔助外科技術(shù)。手術(shù)由術(shù)者在異地通過遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)控制手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器人完成。1993年，意大利米蘭機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室成功進(jìn)行了世界上第一例遠(yuǎn)程手術(shù)試驗(yàn)。意大利醫(yī)生在美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室通過IBM SCARA 7565機(jī)器人遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)對(duì)位于意大利米蘭的豬組織器官進(jìn)行了異地組織切片檢查手術(shù)。兩地相距數(shù)千公里，術(shù)中信號(hào)傳送通過衛(wèi)星和光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行[49]。1996年誕生了世界上首個(gè)遠(yuǎn)程手術(shù)工作站,可允許醫(yī)生在異地通過微波通訊來完成可移動(dòng)部隊(duì)醫(yī)院（Mobile army surgical hospital，MASH）的手術(shù)。目前典型的虛擬臨場(chǎng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)就是宙斯系統(tǒng)和達(dá)芬奇系統(tǒng)。宙斯系統(tǒng)擁有一個(gè)遠(yuǎn)程的手術(shù)醫(yī)師主控制臺(tái)以及三個(gè)機(jī)械臂，其中兩個(gè)用來代替術(shù)者手臂，另一個(gè)是“伊索”系統(tǒng)機(jī)械臂，著名的“林白”手術(shù)[50]就是由宙斯系統(tǒng)完成的。2001年，1例用于展示遠(yuǎn)程手術(shù)潛力的手術(shù)在美國(guó)和法國(guó)之間完成，美國(guó)紐約的醫(yī)生使用宙斯系統(tǒng)成功地為身處法國(guó)的患者施行了機(jī)器人輔助內(nèi)窺鏡下膽囊摘除術(shù)（林白行動(dòng)）。1997年，Intuitive Surgical公司整合手術(shù)系統(tǒng)（現(xiàn)在的直視手術(shù)）通過SRI Green遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)的許可。這個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過廣泛的重新設(shè)計(jì)，稱為達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)，并于2000年獲得FDA的許可。該系統(tǒng)采用主從手結(jié)構(gòu)，醫(yī)生在控制臺(tái)通過主手操作機(jī)器人完成手術(shù)動(dòng)作，通過腳踏板來控制高質(zhì)量的視覺系統(tǒng)，從端包括兩個(gè)機(jī)器人手臂和一個(gè)內(nèi)窺鏡夾持手臂，機(jī)械臂可以完成人手無法完成的極為精細(xì)的動(dòng)作，手術(shù)切口很小，從而縮短了患者術(shù)后恢復(fù)的時(shí)間，提高了手術(shù)效果[51]。1998年，美國(guó)巴爾的摩市的外科醫(yī)生成功使用腎臟經(jīng)皮穿刺系統(tǒng)為遠(yuǎn)在意大利的患者進(jìn)行腎集合系統(tǒng)經(jīng)皮穿刺手術(shù)。2007年，美國(guó)開始研究遠(yuǎn)程微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)項(xiàng)目，采用達(dá)芬奇系統(tǒng)在美國(guó)華爾特里德陸軍醫(yī)學(xué)中心和約翰霍普金斯醫(yī)院之間開展遠(yuǎn)程手術(shù)研究。隨著遠(yuǎn)程手術(shù)技術(shù)的發(fā)展，手術(shù)可以在距離醫(yī)生幾千公里以外的地方完成，而互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星通訊技術(shù)的發(fā)展，使在一些危險(xiǎn)的地區(qū)或常規(guī)手術(shù)難以甚至根本不可能進(jìn)行的地區(qū)進(jìn)行遠(yuǎn)程手術(shù)正逐步成為可能。

本世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)開始對(duì)機(jī)器人遠(yuǎn)程外科技術(shù)進(jìn)行研究。2001年，解放軍海軍總醫(yī)院和北京航空航天大學(xué)合作，開展了局域網(wǎng)下遠(yuǎn)程外科手術(shù)的初步研究，并于2003年利用黎元BH-600主動(dòng)式機(jī)器人，在北京和沈陽(yáng)之間完成了國(guó)內(nèi)首例腦外科立體定向遠(yuǎn)程操作手術(shù)，在視覺標(biāo)定、ADSL多路視頻網(wǎng)絡(luò)同步傳輸、基于預(yù)覽、預(yù)測(cè)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展。自2005年5月至2006年3月，北京積水潭醫(yī)院利用自主研發(fā)的基于ASDL/ISDN網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的主從式遠(yuǎn)程外科機(jī)器人輔助脛骨髓內(nèi)釘內(nèi)固定手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行異地遠(yuǎn)程手術(shù)操作，在經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練和成功完成模型骨、尸體模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取7例閉合脛腓骨骨折患者，開展北京與石家莊、北京與延安之間的異地遠(yuǎn)程脛骨骨折閉合復(fù)位、帶鎖髓內(nèi)釘內(nèi)固定手術(shù)[52]。結(jié)果顯示，自主研發(fā)的遠(yuǎn)程骨科機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)安全有效，不同于全程非間斷的實(shí)時(shí)手術(shù)視頻傳輸遠(yuǎn)程操作，可避免網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、帶寬限制，為遠(yuǎn)程外科機(jī)器人在創(chuàng)傷骨科中的應(yīng)用搭建了實(shí)用、安全的技術(shù)平臺(tái)。遠(yuǎn)程手術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)是包括外科手術(shù)虛擬訓(xùn)練器技術(shù)、力傳感和反饋技術(shù)、遙操作技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)，并與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合緊密。作為一項(xiàng)方興未艾的尖端醫(yī)療技術(shù)，遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)的出現(xiàn)將對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。同時(shí)，它也是一項(xiàng)涉及多學(xué)科領(lǐng)域的綜合技術(shù)，它的發(fā)展將對(duì)各相關(guān)學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生推動(dòng)作用。

3 總結(jié)與展望

外科手術(shù)的世界性發(fā)展趨勢(shì)是微創(chuàng)化，而外科的微創(chuàng)化不僅指某種或某幾種具體的微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)，更是貫穿整個(gè)臨床實(shí)踐的理念，是將來外科治療操作中的指導(dǎo)思想。醫(yī)療外科機(jī)器人與計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)的開發(fā)為外科手術(shù)模式帶來了革命性的改變，它是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、信息技術(shù)以及智能化工程等諸多領(lǐng)域的結(jié)晶。目前，國(guó)外計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)在很多領(lǐng)域被應(yīng)用于臨床并取得了良好效果，但在國(guó)內(nèi)，實(shí)際臨床應(yīng)用成功的范例較少，相關(guān)工作也僅處于起步階段，還需在以下領(lǐng)域繼續(xù)做深入研究。

①虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用：使醫(yī)生更有身臨其境的真實(shí)感覺，并應(yīng)用于外科醫(yī)生的培訓(xùn)。

②高精度定位系統(tǒng)的研究：目前無論是機(jī)械臂定位系統(tǒng)，還是基于光學(xué)導(dǎo)航的定位系統(tǒng)，都存在著精度不足、裝置笨重、體積較大、價(jià)格昂貴等不足，高精度定位系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)于提高手術(shù)質(zhì)量、改進(jìn)外科機(jī)器人有著積極意義。

③遠(yuǎn)程操作外科機(jī)器人的開發(fā)：中國(guó)地廣人多，許多偏遠(yuǎn)地區(qū)患者難以得到及時(shí)救治，遠(yuǎn)程操作外科機(jī)器人的開發(fā)和應(yīng)用將成為解決現(xiàn)實(shí)醫(yī)療問題的重要手段。

另外，新型外科機(jī)器人機(jī)構(gòu)、新型手術(shù)工具、智能傳感器等相關(guān)技術(shù)的開發(fā)仍將是未來外科機(jī)器人研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，外科機(jī)器人必將為外科手術(shù)模式帶來一場(chǎng)新的革命。

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Progress of Medical Robot Application and Research

GUI Haijun,ZHANG Shilei,SHEN Guofang.Department of Oral and Maxillofacial Surgery,Shanghai Ninth People′s Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai Key Laboratory,Shanghai 200011,China.

ZHANG Shilei(E-mail：leinnymd@hotmail.com).

Medical robotics;Computer assisted surgery;Telesurgery;Image processing

R608

B

1673－0364（2011）01－0055－05

10.3969/j.issn.1673-0364.2011.01.016

國(guó)家自然科學(xué)基金（30801302）；上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目（074119511）。

200011 上海市 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院·口腔醫(yī)學(xué)院口腔頜面外科，上海市口腔醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

張?jiān)娎祝‥-mail：leinnymd@hotmail.com）。

【Summary】The development of robotics has been promoting surgical models to a revolutionary change.Medical surgical robot has been used in operation in many fields,such as brain neurosurgery,plastic surgery,orthopaedics,and so on,and shows great social and economical value.The process of robot research based on current medical robotic application was reviewed in this article,and the structure of medical robot system was also introduced.Finally,the prospect of surgical robot was discussed.

2010年11月30日；

2010年12月13日）