機器人在醫(yī)療康復(fù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

引言：近年來，機器人工業(yè)發(fā)展快速，醫(yī)療和康復(fù)機器人成為機器人領(lǐng)域的研究熱點之一。本文論述了機器人在醫(yī)療康復(fù)工作中的應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了機器人在這一領(lǐng)域最新研究進展和未來發(fā)展趨勢。

一、概述

迄今為止，人類共經(jīng)歷了三次影響深遠的重大科技革命，第一次是18世紀的工業(yè)革命，第二次是19世紀的電力革命，第三次是20世紀的信息革命。那么，21世紀新科技革命的主題是什么？科學(xué)界認為，第四次科技革命將由機器人引領(lǐng)。

“機器人”（Robota）一詞來源于1920年捷克著名作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表的科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》，而機器人實物則是在1954 年由美國人喬治·德沃爾設(shè)計制造出來的。第一臺機器人誕生以后，機器人技術(shù)迅速發(fā)展，相關(guān)科技成果也得到普及。美國AMF（美國機械與鑄造）公司在1962年生產(chǎn)出世界上第一臺商業(yè)化工業(yè)機器人“Versatran”（意為“萬能搬運”），而在1980 年工業(yè)機器人就已經(jīng)在日本普及，它們遍及汽車、電子、電器、煙草、化工、食品和印刷等工業(yè)領(lǐng)域，1980年也因此被稱為“機器人元年”[1]。

自第一臺工業(yè)機器人誕生到現(xiàn)在，機器人技術(shù)早已不局限于傳統(tǒng)的工業(yè)和制造業(yè)。隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、現(xiàn)代信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人技術(shù)被應(yīng)用到多個行業(yè)中，醫(yī)療領(lǐng)域便是其中一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，并由此產(chǎn)生了醫(yī)療機器人。醫(yī)療機器人主要用在傷病員或病人的診斷、治療、手術(shù)、康復(fù)和護理等方面。對于醫(yī)療機器人的研究，大部分是對外科手術(shù)機器人和用于康復(fù)及護理機器人的研究，研究成果目前已經(jīng)在腦神經(jīng)外科等方面得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

智能型手術(shù)及醫(yī)療服務(wù)機器人，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、機器人、運動分析及虛擬現(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)生進行手術(shù)規(guī)劃、仿真、操作等過程[3]。從20世紀90年代起，國際先進機器人計劃（IARP）已召開過多屆醫(yī)療外科機器人研討會，并且在發(fā)達國家已經(jīng)出現(xiàn)醫(yī)療機器人市場化產(chǎn)品[4]。

醫(yī)用機器人是目前國內(nèi)外機器人研究領(lǐng)域中最活躍、投資最多的項目之一，其發(fā)展前景廣闊，美、法、德、意、日等國家學(xué)術(shù)界對此給予了極大關(guān)注，研究工作蓬勃發(fā)展[5]。目前，醫(yī)用機器人的研制主要集中在微創(chuàng)外科手術(shù)、康復(fù)和服務(wù)機器人系統(tǒng)等幾個方面[6]。

二、特點及優(yōu)勢

（一）醫(yī)療機器人應(yīng)用特點

與其它機器人相比，醫(yī)療機器人具有以下幾個特點：（1）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，以及智慧化的人機交互界面。在需要人工控制的情況下，還具備遠程控制能力；（2）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）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，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)療機器人之間及醫(yī)療機器人和醫(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、人機交互接口、臨床輔助器材接口以及傷病員轉(zhuǎn)運接口等 [7]。

康復(fù)機器人作為醫(yī)療機器人的一個重要分支，貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機械學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、計算機科學(xué)以及機器人學(xué)等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)成為國際機器人領(lǐng)域的一個研究熱點。將機器人技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，不僅可以將康復(fù)醫(yī)師從繁重的訓(xùn)練任務(wù)中解放出來，減輕醫(yī)療人員的負擔，而且還可以詳細客觀地記錄訓(xùn)練過程中的治療數(shù)據(jù)，供康復(fù)醫(yī)師分析和評價康復(fù)訓(xùn)練效果[8]。

（二）醫(yī)療機器人應(yīng)用優(yōu)勢

目前，醫(yī)療機器人的實際應(yīng)用主要集中在外科手術(shù)領(lǐng)域，機器人做手術(shù)十分精確，一個神經(jīng)外科大夫的誤差精度能達到2毫米，而機器人的精度可以很容易達到微米級，在同等情況下實現(xiàn)比傳統(tǒng)人工手術(shù)更好的手術(shù)效果。與人類相比，機器人具有定位準確、狀態(tài)穩(wěn)定、靈巧性強、工作范圍廣、不怕輻射和感染等優(yōu)勢。機器人可以增強醫(yī)生對手術(shù)現(xiàn)場的感知、決策和操作能力，創(chuàng)造出傳統(tǒng)手術(shù)無法比擬的成效。從世界機器人的發(fā)展趨勢來看，用機器人輔助手術(shù)將成為一種必然的發(fā)展趨勢[9]。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)機器人的手術(shù)將超過全部醫(yī)療手術(shù)的一半[10]。

三、臨床應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）手術(shù)機器人

1985年，加拿大Kwoh 教授在世界上首次采用PUMA262 工業(yè)機器人來完成腦腫瘤活檢手術(shù)[11]，完成了腦部腫物活組織穿刺中探針的導(dǎo)向定位，結(jié)果顯示機器人操作不僅明顯快于手動調(diào)試操作，且使穿刺定位精確度得以明顯提高。這一時期的醫(yī)用機器人大多采用工業(yè)機器人平臺。2000年美國IntuitiveSurgical公司開發(fā)DaVinci微創(chuàng)外科機器人系統(tǒng)，并獲得歐洲CE認證和美國FDA認證，標志著手術(shù)機器人正式在世界范圍內(nèi)應(yīng)用于臨床，是世界上首套可以正式在醫(yī)院腹腔手術(shù)中使用的醫(yī)療外科機器人[12]。它是目前在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用范圍廣，商品化比較成功的機器人系統(tǒng)之一，被譽為醫(yī)療手術(shù)機器人研究的一個里程碑。

目前，手術(shù)機器人不僅完成了普外科，而且也能完成腦神經(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)。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)微細手術(shù)和體內(nèi)藥物直接投放微型外科手術(shù)機器人[3]。國內(nèi)在手術(shù)機器人的研發(fā)也取得了較大進展，國內(nèi)數(shù)家醫(yī)院陸續(xù)引進這項新技術(shù)，并投入臨床應(yīng)用[13]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機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)動機器人，能對細胞和染色體進行“顯微手術(shù)”。北京航空航天大學(xué)與海軍總醫(yī)院合作研制開發(fā)了腦外科機器人系統(tǒng)，并完成了多例腦外科立體定向遠程遙操作手術(shù)[14]；與北京積水潭醫(yī)院聯(lián)合研制了骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)，并完成了長骨骨折髓內(nèi)釘內(nèi)固定遠程遙操作手術(shù)；與海軍總醫(yī)院、北京醫(yī)院合作研制了心血管介入手術(shù)機器人。天津大學(xué)研制了主從式遙操作結(jié)構(gòu)、具有三維力傳感器的顯微外科手術(shù)機器人，并成功地完成了動物實驗；中國科學(xué)院自動化研究所與上海胸科醫(yī)院等單位合作研制了血管介入手術(shù)機器人，并完成多例動物實驗；哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位，也開展了不同類型醫(yī)療手術(shù)機器人系統(tǒng)的研究和開發(fā) [15，16]。

（二）康復(fù)機器人

康復(fù)機器人是近年出現(xiàn)的一種新型機器人，屬于醫(yī)療機器人范疇。它分為康復(fù)訓(xùn)練機器人和輔助型康復(fù)機器人?？祻?fù)訓(xùn)練機器人的主要功能是幫助患者完成各種運動功能的恢復(fù)訓(xùn)練，如行走訓(xùn)練、手臂運動訓(xùn)練、脊椎運動訓(xùn)練、頸部運動訓(xùn)練等；輔助型康復(fù)機器人主要用來幫助肢體運動有困難的患者完成各種動作，如機器人輪椅、導(dǎo)盲手杖、機器人假肢、機器人護士等[17]。

機器人技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)領(lǐng)域，既可提供有效的康復(fù)訓(xùn)練，又不增加臨床醫(yī)療人員負擔和衛(wèi)生保健成本。另外，機器人可以記錄詳實的治療數(shù)據(jù)及圖形，能提供客觀、準確的治療和評價參數(shù)，有助于機器人輔助治療偏癱研究的深入開展，具有改善康復(fù)效果和提高康復(fù)效率的潛力。近年來，國外一些研究機構(gòu)開展了上肢康復(fù)機器人的研究，已得到一些初步的結(jié)論[18]。輔助型康復(fù)機器人按工作方式主要分為四種類型：工作站型康復(fù)機器人、移動護理類康復(fù)機器人、基于輪椅的康復(fù)機器人和增強肢體功能的康復(fù)機器人。目前，康復(fù)機器人的研究主要集中在康復(fù)機械手、智慧輪椅和康復(fù)治療機器人等幾個方面[19]。

國內(nèi)在康復(fù)機器人、助力機器人方面也開展相關(guān)科研工作。清華大學(xué)等單位開展了各類不同功能的康復(fù)機器人研制工作，哈爾濱工程大學(xué)研制了下肢康復(fù)機器人、手臂康復(fù)機器人等系統(tǒng)，中國科學(xué)院研制了具有肌電（Electromyography，EMG） 信號采集和功能性電刺激的下肢康復(fù)輔助訓(xùn)練機器人，華東理工大學(xué)等單位在助力機器人系統(tǒng)方面開展了研究和研制工作[20]。

四、發(fā)展趨勢及展望

隨著技術(shù)的發(fā)展，機器人將向醫(yī)療的各個領(lǐng)域滲透，將涵蓋包括外科手術(shù)、醫(yī)院服務(wù)、助殘、家庭看護和康復(fù)等的所有層面，開創(chuàng)臨床醫(yī)學(xué)的新天地。各種新型醫(yī)用機器人機構(gòu)、新型手術(shù)工具、醫(yī)學(xué)圖像采集和處理技術(shù)、遠程信息傳輸技術(shù)、智能傳感器、智能輪椅、智能康復(fù)設(shè)備及其它相關(guān)技術(shù)等仍是研究熱點。

目前，手術(shù)機器人還處于初級發(fā)展階段，有許多方面需要不斷的完善和改進：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。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)微細手術(shù)和體內(nèi)藥物直接投放微型外科手術(shù)機器人。醫(yī)生用注射器將微型機器人推入人體內(nèi)部，由它所攜帶的微生物傳感器對人體組織進行檢測，當發(fā)現(xiàn)有病變組織時，微型手術(shù)機器人對病變組織進行直接手術(shù)和藥物注射治療[9]。

近年來，治療型康復(fù)機器人的研究取得了重要進展，如有輔助神經(jīng)肌肉康復(fù)訓(xùn)練機器人和腦神經(jīng)康復(fù)機器人?？祻?fù)機器人技術(shù)經(jīng)過了40 多年的發(fā)展，已成為國際機器人領(lǐng)域的一個研究熱點，其未來發(fā)展呈現(xiàn)以下幾個趨勢：①各種先進的機器人技術(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)機器人；③仿生學(xué)的發(fā)展指引著康復(fù)機器人的未來[3]。

醫(yī)療機器人將機器人技術(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)機器人具有高準確性、高可靠性和高精確性，提高了手術(shù)的成功率；康復(fù)機器人具有智慧化，可為傷員、病人與老年人提供康復(fù)護理和服務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新、社會老齡化和現(xiàn)代戰(zhàn)爭的高技術(shù)化，以及醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療機器人及其輔助醫(yī)療技術(shù)將得到更深入而廣泛的研究和應(yīng)用，促進醫(yī)療機器人技術(shù)的快速發(fā)展。從長遠發(fā)展角度來看，集傷病員營救、護送、手術(shù)、轉(zhuǎn)運、康復(fù)和護理為一體的真正醫(yī)療機器人系統(tǒng)將會受到廣泛的關(guān)注和重視[7]。

隨著現(xiàn)代科技的不斷進步，機器人技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域還會得到更廣泛的應(yīng)用。目前，對于醫(yī)療機器人的最新研究也在不斷的產(chǎn)生出新的成果，不斷完善已有的機器人系統(tǒng)，同時開發(fā)出更多更新的醫(yī)療機器人。未來醫(yī)療機器人的發(fā)展方向為高準確度、高可靠性、高精確性、智慧化、數(shù)字化、一體化。隨著納米技術(shù)的不斷進步，微型醫(yī)療機器人將會是醫(yī)療器械下一個主戰(zhàn)場[21]。

結(jié)束語

機器人用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，是醫(yī)學(xué)史上的一大進步。機器人輔助外科手術(shù)，使外科診斷與治療更加微創(chuàng)化、微型化、智能化和數(shù)字化，是人類醫(yī)學(xué)史上的一場偉大變革。目前機器人應(yīng)用于手術(shù)尚處于初期階段，存在的主要問題是相當一部分機器人為工業(yè)機器人改進而來，可靠性與安全性有待進一步驗證，且多數(shù)醫(yī)療機器人處于實驗樣機或者臨床試驗階段，科研成果向商業(yè)轉(zhuǎn)化進度較慢，導(dǎo)致真正用于臨床醫(yī)療的機器人系統(tǒng)仍然十分有限[21]。

由于機器人在手術(shù)的準確性、可靠性和精確性上大大超過了外科醫(yī)生，機器人技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療領(lǐng)域得到了長足的發(fā)展，并取得了很好的臨床效果。但由于一些主客觀原因，尤其是心理（醫(yī)療機器人被醫(yī)生視為是競爭對手，被患者視為危險事物） 和其它一些非技術(shù)原因（ 如許可證的發(fā)放等） ，所以機器人在醫(yī)療和康復(fù)中的應(yīng)用發(fā)展仍有很長的路要走。但隨著機器人技術(shù)的不斷完善和人們認識水平的提高，加之良好的醫(yī)療效果和巨大商業(yè)利益驅(qū)使，機器人在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域?qū)⒌玫礁钊攵鴱V泛的研究和應(yīng)用，其發(fā)展前景非常廣闊。

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（作者單位：中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院）

作者簡介

戴星原（1993-），男，本科學(xué)生?，F(xiàn)就讀于中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院自動化專業(yè)。研究方向：智能控制、電力電子等。