醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用與發(fā)展研究報告

黃敦華，李 勇，陳容紅

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用與發(fā)展研究報告

黃敦華，李 勇，陳容紅

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

論文介紹了醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的基本概念、特點(diǎn)、應(yīng)用與發(fā)展，重點(diǎn)闡述了手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人、救援機(jī)器人與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用。

醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人；應(yīng)用；發(fā)展

0 引言

醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人技術(shù)是集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、材料學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)視覺、數(shù)學(xué)分析、機(jī)器人等諸多學(xué)科為一體的新型交叉研究領(lǐng)域，具有重要的研究價值，在軍用和民用中有著廣泛的應(yīng)用前景，是目前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，它主要用于傷病員的手術(shù)、救援、轉(zhuǎn)運(yùn)和康復(fù)。醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人北京市工程實驗室主任張送根博士認(rèn)為，智能型手術(shù)及醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人，有廣泛的感覺系統(tǒng)、智能和模擬裝置，涉及醫(yī)學(xué)成像、圖像分析、機(jī)器人、運(yùn)動分析及虛擬現(xiàn)實等多個學(xué)科的最新成果，能夠全面擴(kuò)展人類能力極限，提高醫(yī)生的手術(shù)及診療技能，輔助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃、仿真、操作等過程。

醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人具有的特點(diǎn)：①醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境一般在醫(yī)院、街道、家庭及非特定的多種場合，具有移動性與導(dǎo)航、識別及規(guī)避能力，以及智能化的人機(jī)交互界面。在需要人工控制的情況下，還要具備遠(yuǎn)程控制能力；②醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的作業(yè)對象是人、人體信息及相關(guān)醫(yī)療器械，需要綜合工程、醫(yī)學(xué)、生物、藥物及社會學(xué)等各個學(xué)科領(lǐng)域的知識開展研究課題；③醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計必須以易消毒和滅菌為前提，安全可靠且無輻射；④以人作為作業(yè)對象的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人，其性能必須滿足對狀況變化的適應(yīng)性、對作業(yè)的柔軟性，對危險的安全性以及對人體和精神的適應(yīng)性等；⑤醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人之間及醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人和醫(yī)療器械之間具有或預(yù)留通用的對接接口，包括信息通訊接口、人機(jī)交互接口、臨床輔助器材接口以及傷病員轉(zhuǎn)運(yùn)接口等。

1 應(yīng)用與發(fā)展

根據(jù)應(yīng)用，醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人分為手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人、救援機(jī)器人與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人等。

1.1 手術(shù)機(jī)器人

手術(shù)機(jī)器人最早源于美軍機(jī)器人手術(shù)和遠(yuǎn)程外科計劃，并于1994年，由美國國防部下屬的國防高級研究計劃局（DARPA）研制成原型機(jī)。從軍事醫(yī)學(xué)的角度來看，機(jī)器人手術(shù)技術(shù)能為處在不利環(huán)境中的軍事人員提供醫(yī)療援救服務(wù)，可以在全球范圍內(nèi)開展軍事人員的外科救治，如戰(zhàn)場、核生化危險環(huán)境和外太空等。在和平時期，機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)可用于加強(qiáng)醫(yī)生培訓(xùn)；消除手部的抖動，減少術(shù)者的疲勞，增加精細(xì)操作的能力，從而提高手術(shù)的安全性；可以開展全球范圍的手術(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程會診和醫(yī)療等。商業(yè)化的手術(shù)機(jī)器人最早出現(xiàn)在1994年，由美國Computer Motion公司研制，命名為AESOP。手術(shù)機(jī)器人于1997年3月在比利時布魯塞爾St Pierre醫(yī)院完成了第一例腹腔鏡手術(shù)—膽囊切除術(shù)。1998年，Computer Motion公司研制的Zeus系統(tǒng)、Intuitive Surgical公司研制的da Vinci系統(tǒng)和endoVia公司研制的Laprotek系統(tǒng)分別獲得了成功。這三個系統(tǒng)均由三大部分組成：醫(yī)生操縱臺、機(jī)械手和內(nèi)鏡裝置。Zeus系統(tǒng)采用純信號方式實現(xiàn)醫(yī)生操縱臺對機(jī)器臂的控制，在傳輸距離上不受視頻延遲的影響。Zeus系統(tǒng)于2001年9月首次成功實現(xiàn)了跨大西洋 (美國紐約-法國斯特拉斯堡)的機(jī)器人腹腔鏡膽囊切除術(shù)。目前，手術(shù)機(jī)器人不僅完成了普外科，還有腦神經(jīng)外科、心臟修復(fù)、膽囊摘除、人工關(guān)節(jié)置換、泌尿科和整形外科等方面的手術(shù)。最近，美軍正在研究遠(yuǎn)程微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)項目，采用da Vinci系統(tǒng)在美國華爾特里德陸軍醫(yī)學(xué)中心和約翰霍普金斯醫(yī)院之間 （相距64 km）開展遠(yuǎn)程手術(shù)研究。由沃特里得陸軍醫(yī)學(xué)中心 （WRAMC） (Water Reed Army Medical Center)開發(fā)的多國遠(yuǎn)程醫(yī)療項目是美國第三級軍事遠(yuǎn)程醫(yī)療咨詢系統(tǒng)。它基于跨平臺技術(shù)計算機(jī)、軟件、數(shù)字?jǐn)z影和高速衛(wèi)星通信。配備的醫(yī)學(xué)專家專業(yè)領(lǐng)域包括皮科、骨外科、傳染病、眼科和普通外科。遠(yuǎn)程醫(yī)療分為兩種類型。一種為高分辨率數(shù)字靜態(tài) （HRDS)圖像處理，利用440萬像素的KodakDCS420拍攝臨床圖像并下載到個人計算機(jī)或筆記本電腦。圖像和咨詢申請單文件通過衛(wèi)星接收器或高速調(diào)制解調(diào)器傳送到WRAMC。數(shù)碼相機(jī)圖像的分辨率為1524×1012，文件大小為4.5MB。內(nèi)置硬盤可以儲存50幅圖像。咨詢方式為儲存和轉(zhuǎn)發(fā)。WRAMC咨詢管理員收到咨詢申請和圖像以后，編制咨詢病歷并將記錄轉(zhuǎn)送到適當(dāng)?shù)尼t(yī)學(xué)專家。另一種方式為視頻會議 （VTC)咨詢，需要預(yù)約和安排。VCT系統(tǒng)采用兩種硬件，一種是CLI8100系統(tǒng)，傳輸速率為54 kbs至1.544 mbps。另一種為采用個人計算機(jī) PictureTelPCS-100E桌面視頻會議系統(tǒng)，速率為112 kbps或384 kbps?？梢詡魉蛿?shù)據(jù)和HRDS圖像文件、申請單、廣播功能以及在VTC過程中抓獲靜態(tài)圖像。據(jù)DARPA Tech會議確定，2009年，第一部便攜式的手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用到現(xiàn)實中去。這個名為 “Trauma Pod”的系統(tǒng)已經(jīng)成功的對一個沒有并發(fā)癥的人體模型進(jìn)行了治療。醫(yī)生可以獨(dú)立的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，而這個機(jī)器人能夠完成一系列的功能，比如外科手術(shù)輔助，撤出病人等。在遠(yuǎn)程手術(shù)中，自動鎖定目標(biāo)系統(tǒng)可以輔助外科醫(yī)生完成特定動作。這套系統(tǒng)可以裝在史塞克系統(tǒng)的后部，其便攜性將在部隊中發(fā)揮很大的作用。

在國內(nèi)，海軍總醫(yī)院和北航機(jī)器人研究所共同開發(fā)出智能化遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)，被稱為 “遙操作遠(yuǎn)程醫(yī)用機(jī)器人”。2002年，海軍總醫(yī)院田增民等人首次成功地使用該機(jī)器人給一位腦腫瘤患者做了立體定向活檢手術(shù)。專家先通過電腦網(wǎng)絡(luò)接收病人的信息，分析病人的CT影像、進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，然后遙控操作手術(shù)室內(nèi)的機(jī)器人開始手術(shù)。手術(shù)室內(nèi)的機(jī)器人根據(jù)專家的指令，自動搜索手術(shù)部位，并迅速鎖定立體定向穿刺路徑，20 min后，成功地取出病變組織。目前，手術(shù)機(jī)器人還處于初級發(fā)展階段，有許多方面需要不斷的完善和改進(jìn)：開發(fā)智能化的安全與決策系統(tǒng)，以保證病人的安全。通過增加 “人造視野”系統(tǒng)，可在手術(shù)過程中監(jiān)視術(shù)野，輔助術(shù)者做出判斷，增加手術(shù)的安全性；用軟件來處理觸覺和視覺圖像的整合、分割和合成；提供穩(wěn)定的觸覺控制，識別不同的人體組織，進(jìn)行關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)的圖像識別和圖像分割；具有良好的觸覺反饋和位置覺。

納米機(jī)器人可以直接進(jìn)入人體器官內(nèi)部進(jìn)行工作,完成組織取樣、血管疏通、藥物定點(diǎn)放置、微型手術(shù)和細(xì)胞操作等普通醫(yī)療技術(shù)和手段無法完成的工作。目前，國外正在研制和開發(fā)體內(nèi)自主行走式診斷治療、體內(nèi)微細(xì)手術(shù)和體內(nèi)藥物直接投放微型外科手術(shù)機(jī)器人。醫(yī)生用注射器將微型機(jī)器人推入人體內(nèi)部,由它所攜帶的微生物傳感器對人體組織進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有病變組織時,微型手術(shù)機(jī)器人對病變組織進(jìn)行直接手術(shù)和藥物注射治療。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所成功研制出納米級精密定位系統(tǒng),在這個系統(tǒng)支持下的納米級高精密微驅(qū)動機(jī)器人,能對細(xì)胞和染色體進(jìn)行 “顯微手術(shù)”。納米級機(jī)器人可在人體微觀世界行走,隨時清除人體中的一切有害物質(zhì),修復(fù)損壞的基因,激活細(xì)胞能量,使人不僅僅保持健康,而且延長壽命。據(jù)日本科學(xué)技術(shù)政策研究所預(yù)測，到2017年，在醫(yī)療領(lǐng)域使用手術(shù)機(jī)器人和微型機(jī)器人的手術(shù)將超過全部醫(yī)療手術(shù)的一半。

1.2 康復(fù)機(jī)器人

康復(fù)工程（Rehabilitation engineering）是生物醫(yī)學(xué)工程的一個重要分支學(xué)科，主要研究如何運(yùn)用工程技術(shù)手段提高殘障人士的生活質(zhì)量?？祻?fù)機(jī)器人可分為輔助性和治療型兩種。輔助型康復(fù)機(jī)器人主要用來幫助老年人和殘疾人更好地適應(yīng)日常的工作和生活，部分補(bǔ)償了他們?nèi)趸臋C(jī)體功能；治療型康復(fù)機(jī)器人用來幫助患者恢復(fù)機(jī)體功能。

目前，康復(fù)機(jī)器人的研究主要集中在康復(fù)機(jī)械手、智能輪椅和康復(fù)治療機(jī)器人等幾個方面。國外開展康復(fù)機(jī)器人的研究已有相當(dāng)長的時間，20世紀(jì)60年代初期出現(xiàn)了第一臺康復(fù)機(jī)器人CASE。早期法國CEA公司開發(fā)的MASTER系統(tǒng)，美國Tolfa Corporation開發(fā)的DEVAR系統(tǒng)，以及英國OxfordIntelligent Machines開發(fā)的RAID系統(tǒng)，它們的機(jī)械手都安裝在一個徹底結(jié)構(gòu)化的控制平臺上，可在固定的空間內(nèi)操作。美國的MOVAR系統(tǒng)和意大利的URMAD系統(tǒng)的機(jī)械手安裝在輪椅上，因輪椅的移動而擴(kuò)大機(jī)械手的操作范圍，但由于安裝機(jī)座的改變導(dǎo)致了機(jī)械手剛性下降和抓取精度降低。而且這種方法只適合于那些可以用輪椅的人。機(jī)械手安裝在移動機(jī)器人或者是自主的小車上，適于更多的患者使用，同時還擴(kuò)大了活動空間并提高了抓取精度，這種機(jī)械手系統(tǒng)一般由視覺、運(yùn)動、傳感、導(dǎo)航及系統(tǒng)控制等子系統(tǒng)組成，是目前最先進(jìn)的。日本東京大學(xué)的S.Tachi教授在MIT日本實驗室工作時開發(fā)了一個移動式康復(fù)機(jī)器人MELDOG。歐洲Scuola SuperioreS.Anna技術(shù)實驗室的一個研究小組在URMAD系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)了MOVAID系統(tǒng)，它具有自由避障的功能，操作者可以實時監(jiān)控和干預(yù)機(jī)器人的動作。它可以幫助殘疾人完成食物加熱、廚房打掃和床鋪清理等工作。代表最新發(fā)展方向的是美國費(fèi)城Pennsylvania大學(xué)的P.Wellman等人設(shè)計的智能輪椅，將智能機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動輪椅上，融合了傳感技術(shù)、機(jī)器視覺、機(jī)器人導(dǎo)航和定位、模式識別及人機(jī)交互等先進(jìn)技術(shù)，強(qiáng)調(diào)人機(jī)互動和接口的自適應(yīng)性。近年來，治療型康復(fù)機(jī)器人的研究取得了重要進(jìn)展，如有輔助神經(jīng)肌肉康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和腦神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人。

康復(fù)機(jī)器人技術(shù)經(jīng)過了40多年的發(fā)展，已成為國際機(jī)器人領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)，其未來發(fā)展呈現(xiàn)以下幾個趨勢：①各種先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)廣泛應(yīng)用到康復(fù)領(lǐng)域；②康復(fù)理論的發(fā)展催生新的康復(fù)機(jī)器人；③仿生學(xué)的發(fā)展指引著康復(fù)機(jī)器人的未來。

1.3 護(hù)理機(jī)器人

護(hù)理機(jī)器人一般用來輔助護(hù)士完成相關(guān)的護(hù)理工作，如病人翻身、更換床單等護(hù)理，以及食物、藥品、醫(yī)療器械、病志的傳送和投遞，與病人對話，提供數(shù)據(jù)和影像支持等工作。日本機(jī)械工程研究所開發(fā)的MELKONG，專門用來照顧那些不便走動的病人。日本三菱公司還推出了一種在MELKONG基礎(chǔ)上改進(jìn)的傳輸搬運(yùn)車輛。美國運(yùn)輸研究會 (Transition ResearchCorporation,TRC)研制的 “HelpMate”機(jī)器人，可以24h在醫(yī)院里完成運(yùn)送食物和藥品的工作。對護(hù)理機(jī)器人的研究現(xiàn)在多集中在研究可移動機(jī)器人系統(tǒng)，如 WALKY, MOVAID和ARPH等機(jī)器人系統(tǒng)。

1.4 救援機(jī)器人

救援機(jī)器人主要擔(dān)任危險條件下的救援工作，在火災(zāi)、地震和戰(zhàn)場等各種場合下能迅速且安全地將傷病員救出。在1995年的日本 “阪神”大地震中，90%以上的死者是因為被埋在倒塌的建筑物下面未能及時獲救而死亡的，因為大型工業(yè)機(jī)械不適用于震區(qū)的挖掘工作，而人工挖掘的速度又太慢。2003年,國際救援系統(tǒng)研究所在日本政府的贊助下，開發(fā)出了第一批可以在地震廢墟上爬行、飛行和跳躍的救援機(jī)器人，這些機(jī)器人大部分體型較小，通常裝有短波攝像頭和感應(yīng)器，用于地震后受災(zāi)人員的搜索。2004年，還研制出大型救援機(jī)器人“T-52En ryu”，可輕松地挪開變形的汽車和倒塌的建筑物等障礙物，救出受災(zāi)人員。該機(jī)構(gòu)計劃用15年時間創(chuàng)造出一支機(jī)器人救援隊伍的項目。2007年，美國Vecna公司研發(fā)出戰(zhàn)場救援機(jī)器人 “VECNA's BEAR”，機(jī)器人上身采用液壓伸縮裝置，底部使用履帶式驅(qū)動系統(tǒng)，裝備了測速儀和陀螺儀，以監(jiān)控身體移動，并探測身體是否失去平衡。電腦控制的發(fā)動機(jī)能夠隨機(jī)調(diào)整下肢動作，防止它跌倒。 “VECNA's BEAR”的雙腿和雙腳都裝有履帶，從而能在崎嶇道路或樓梯上自如行駛。它的臀部、膝蓋和腳部還有輪子，在平滑地面上，它可以轉(zhuǎn)換到兩個輪子的行駛模式，行動更加快捷。它還能靈活地轉(zhuǎn)換多種姿勢，以適應(yīng)不同路況。VECNA's BEAR身手敏捷，能夠擔(dān)負(fù)普通人無法擔(dān)負(fù)的任務(wù)，可以抱起受傷士兵送往后方安全地帶，其行走時間長達(dá)50 min。救援機(jī)器人工作于復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計要簡單緊湊，運(yùn)動要靈活，還要有強(qiáng)大的動力足以克服障礙將傷病員移動到安全地帶；動力來源于蓄電池的救援機(jī)器人，其設(shè)計應(yīng)該盡可能的減少不必要的額外功率損耗，提高蓄電池的使用效率；救援機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)需要克服種種障礙，必須具有規(guī)避導(dǎo)航能力，還要有一定的自主完成任務(wù)的能力，在人不能為其提供指令和引導(dǎo)的惡劣情況下，能做出正確的選擇；救援機(jī)器人集多種傳感器于一體，才能對傷病員是否活著進(jìn)行判斷，才能精確地分析出現(xiàn)場的破壞和污染程度 （粉塵、輻射、毒氣等）；救援機(jī)器人還要有一定的急救能力，如供氧、解毒和藥物注射等。

1.5 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人

轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人主要用于危重病患者的特殊檢查、挪動、轉(zhuǎn)床、手術(shù)和麻醉前后的接送和戰(zhàn)場傷病員的后送，避免傷病員的再損傷。目前，國內(nèi)外大部分研究還主要集中在病人轉(zhuǎn)運(yùn)車，主要以人工操作為主，自動化程度低。2007年，燕山大學(xué)王洪波教授和日本Fumio Kasagami教授共同研制出 “C-Pam”轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人，采用接觸點(diǎn)相對靜止技術(shù)，不需移動患者身體的任何部分，患者就會被移動到床板上，但其傳感器少，自動化和智能化水平相對比較低。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人在保證患者無痛轉(zhuǎn)運(yùn)的前提下，還要易消毒滅菌，行走靈活，控制簡單，安全可靠。隨著技術(shù)的進(jìn)步，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人正朝著自動化和智能化方向發(fā)展。

2 未來走向

醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域，極大的推動了現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，是現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生裝備的發(fā)展方向之一。手術(shù)機(jī)器人具有高準(zhǔn)確性、高可靠性和高精確性，提高了手術(shù)的成功率；康復(fù)機(jī)器人具有智能化，可為傷員、病人與老年人提供康復(fù)和服務(wù)；救援機(jī)器人可以經(jīng)受得住戰(zhàn)場和災(zāi)難等惡劣環(huán)境的考驗，安全救出傷病員。未來醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展方向為高準(zhǔn)確度、高可靠性、高精確性、智能化、數(shù)字化、一體化。

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The Applications and Development Report of Medical Service Robot

HUANG Dun-Hua，LI Yong，CHEN Rong-Hong
（Beijing Polytechnic,Beijing 100176，China）

This paper introduces the basic concepts of medical service robot,features,applications and development,focusing on the surgical robot,robotics rehabilitation,nursing robots,rescue robots and robotic transport development and application.

medical service robot；applications；development

TP242

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.003

1002－6673（2014）03－006－04

2014－04－29

項目來源：該文受“科研基地—機(jī)電一體化系統(tǒng)控制工程科技創(chuàng)新平臺二期—健康體檢機(jī)器人系統(tǒng)研制”項目資助

黃敦華（1978-），男，安徽人，副教授，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)與機(jī)器人；李勇（1975-），男，講師。目前研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。