機(jī)器人在微創(chuàng)外科手術(shù)中的應(yīng)用????

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機(jī)器人在微創(chuàng)外科手術(shù)中的應(yīng)用????

徐兆紅，宋成利，閆士舉

（上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093）

摘編自《中國組織工程研究與臨床康復(fù)》2011年15卷35期：6598~6601頁，圖、表、參考文獻(xiàn)已省略。

0　引言

外科手術(shù)是醫(yī)學(xué)治療的一種重要手段，是一把離不開創(chuàng)傷的制造和愈合的“雙刃劍”。對于無創(chuàng)和切口美觀的追求稱為外科手術(shù)微創(chuàng)化發(fā)展的動力[1]。自從1987年法國里昂醫(yī)生Mouret成功為患者實施腹腔鏡下膽囊切除術(shù)以來[2]，經(jīng)過20多年的發(fā)展，微創(chuàng)外科（特別是腹腔鏡微創(chuàng)外科）技術(shù)已日漸成熟。因其手術(shù)創(chuàng)傷小、術(shù)后疼痛輕、住院時間短、美容效果好、術(shù)野清晰、操作精細(xì)等優(yōu)勢，在臨床上取得了廣泛的應(yīng)用和滿意的效果[3]。當(dāng)前“微創(chuàng)”這一概念已深入到外科手術(shù)的各種領(lǐng)域，如脊柱外科、骨科、顯微外科等，但以腹腔外科技術(shù)發(fā)展最為顯著，本文的研究領(lǐng)域也焦注在腹腔微創(chuàng)手術(shù)[4-11]。

微創(chuàng)術(shù)后的美容效果雖然得到了廣泛認(rèn)可，但存在以下問題：1）有悖于傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)的基本要求——“操作三角”，使得醫(yī)生的操作不符合人因工程學(xué)設(shè)計原理，極易疲勞。2）采用傳統(tǒng)器械時，由于所有器械經(jīng)過單一切口進(jìn)行操作，“筷子效應(yīng)”導(dǎo)致各器械之間互相碰撞和“打架”的現(xiàn)象時常發(fā)生，影響手術(shù)視野，造成手術(shù)操作困難。3）暴露不好，由于可同時使用的操作器械有限，對手術(shù)部位的暴露很困難，且器械和光源軸線平行在一定程度上會影響術(shù)者對深度和距離的判斷[12]。

在傳統(tǒng)的腹腔鏡手術(shù)器械無法滿足單孔腹腔鏡手術(shù)的基礎(chǔ)上，微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)運而生。微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人具有穩(wěn)定性好、操作靈活、運動精確、手眼協(xié)調(diào)等特點，具體表現(xiàn)為：1）視覺角度：手術(shù)機(jī)器人的3D圖像具有更精細(xì)操作的空間定位，改善了手術(shù)操作的掌控力。2）人因工程學(xué)角度：手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中的外科醫(yī)生在主操作臺操控手術(shù)，有較好的舒適性。3）操作度：微創(chuàng)外科機(jī)器人能濾除外科醫(yī)生手部抖動，手術(shù)更加精準(zhǔn)，可進(jìn)行微細(xì)操作。4）靈活度：可避免器械碰撞與三角操作問題，還能實現(xiàn)自動縫合等操作，節(jié)省時間，靈活度高。5）觸覺：傳感器可測出組織與器械間的接觸力，外科醫(yī)生可感受到接觸力的大小和方向。6）遠(yuǎn)程手術(shù)：打破地區(qū)間醫(yī)療資源分布不均的格局，實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。由于具有眾多優(yōu)勢，微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的研究是國際醫(yī)療技術(shù)的熱點[13-15]。

本文依據(jù)微創(chuàng)外科機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展特點和應(yīng)用背景，分別從體外手術(shù)機(jī)器人與體內(nèi)手術(shù)機(jī)器人等方面分析了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并對該領(lǐng)域的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

1　研究現(xiàn)狀

國際上眾多專家和學(xué)者致力于微創(chuàng)外科機(jī)器人領(lǐng)域的研究。從國內(nèi)外已發(fā)表的文獻(xiàn)可總結(jié)出，根據(jù)構(gòu)建原理的不同，微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的研究可大致分為兩類：體外手術(shù)機(jī)器人（Robotic surgery in-vitro）和體內(nèi)微型機(jī)器人（Miniature robot in-vivo）。

1.1 體外手術(shù)機(jī)器人 目前體外手術(shù)機(jī)器人廣泛采用主

從操作模式，他們以腹腔鏡手術(shù)為基礎(chǔ)，由機(jī)械臂夾持器械，通過腹壁上的幾個穿刺套管置入腹腔進(jìn)行手術(shù)。系統(tǒng)體積大、造價貴、操控不方便，實際應(yīng)用價值還十分有限。

Da Vinci（達(dá)芬奇）外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)是最具代表性的商業(yè)化手術(shù)機(jī)器人[16]。該系統(tǒng)1999年由美國Intuitive Surgical公司研制成功。該系統(tǒng)包括醫(yī)生操作平臺、外科手術(shù)工作臺、具有多自由度的腕形手術(shù)工具和腔鏡圖像系統(tǒng)。它已經(jīng)應(yīng)用于心臟外科手術(shù)、腹腔鏡手術(shù)、胸科手術(shù)、泌尿外科手術(shù)、婦產(chǎn)科手術(shù)和兒科手術(shù)等。該系統(tǒng)雖然具有振動過濾、動作縮放等主從操控能力，但手術(shù)醫(yī)生在主操作臂缺乏力覺反饋功能，精細(xì)手術(shù)效率低，主從運動抗干擾能力弱，體積龐大，價格昂貴，見圖1。

世界上另外一類商業(yè)化手術(shù)機(jī)器人杰出代表是美國Computer Motion公司開發(fā)出的ZEUS（宙斯）機(jī)器人系統(tǒng)，已經(jīng)應(yīng)用于腔鏡外科手術(shù)[17]。著名的超遠(yuǎn)程膽囊摘除手術(shù)“林白手術(shù)”就是通過ZEUS系統(tǒng)完成的。該系統(tǒng)采用主從式工作方式，從操作手的每個機(jī)械臂具有6+1個自由度，其中6個用于位姿調(diào)整，另外一個用于位置優(yōu)化，可以完成復(fù)雜的手術(shù)操作。該系統(tǒng)從操作手的布局方式占用空間較大，工作空間較小，靈活性相對較低，成為制約其繼續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，見圖2。

此外，美國Johns Hopkins大學(xué)開發(fā)了一種基于支撐喉鏡下的多自由度喉部手術(shù)機(jī)器人。該系統(tǒng)采用主從控制模式，可同時控制3個高靈敏度、高準(zhǔn)確性的蛇形末端執(zhí)行器，實現(xiàn)在咽喉內(nèi)的遙操作，尤其是縫合動作[18]。德國機(jī)器人與嵌入式系統(tǒng)研究中心和慕尼黑理工大學(xué)心臟治療中心聯(lián)合開展針對心臟手術(shù)的微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)力反饋評估研究，該主從系統(tǒng)的每個機(jī)械手臂具有8個自由度，可以進(jìn)行套管針操作[19]。日本名古屋大學(xué)開發(fā)出面向耳鼻喉手術(shù)、食道手術(shù)等人體深處狹小空間的遙操作主從機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)。其從動臂具有7-DOF，靈活性好，能達(dá)到人體內(nèi)部傳統(tǒng)手術(shù)方式不能到達(dá)的部位進(jìn)行手術(shù)操作，并進(jìn)行了雞肝臟縫合手術(shù)的動物實驗[20]。

在國內(nèi)，最早開展外科手術(shù)機(jī)器人研究工作的是北京航空航天大學(xué)。由北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)和解放軍海軍總醫(yī)院合作開發(fā)的機(jī)器人輔助無框架腦外科立體定向手術(shù)系統(tǒng)，開創(chuàng)了國內(nèi)自主開發(fā)外科手術(shù)機(jī)器人的先河，并相繼開展一系列的神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)[21]。天津大學(xué)自主研發(fā)了顯微外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)—“妙手”機(jī)器人。該主從異構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)主操作臂是串聯(lián)力反饋設(shè)備Phantom Desktop，從操作臂是針對顯微血管縫合手術(shù)專門設(shè)計的“妙手”，具有力檢測功能，可完成切割、夾持、縫合與打結(jié)等手術(shù)操作，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程手術(shù)，并初步探討了力感覺功能[22]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制了腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可替代手術(shù)助手扶持、移動腹腔鏡，為醫(yī)生提供穩(wěn)定的手術(shù)區(qū)域圖像，并可以按照預(yù)先規(guī)劃的軌跡夾持腹腔鏡運動到患者體表切口處，以一定姿態(tài)插入患者體內(nèi)，按照手術(shù)醫(yī)生命令實時調(diào)整腹腔鏡姿態(tài)，為醫(yī)生輸出理想手術(shù)視野，但控制系統(tǒng)的實時性不高[23]。

1.2 體內(nèi)微型機(jī)器人研究現(xiàn)狀

最典型的體內(nèi)微型機(jī)器人是膠囊內(nèi)窺鏡，它能進(jìn)入人體，用于窺探人體腸胃和食道部位的健康狀況，幫助醫(yī)生對患者進(jìn)行診斷。由于功能和結(jié)構(gòu)限制，目前膠囊內(nèi)窺鏡僅用于疾病診斷，沒有手術(shù)治療能力。從國內(nèi)外已發(fā)表的文獻(xiàn)來看，已有基于NOTES的體內(nèi)微型機(jī)器人進(jìn)入動物實驗階段。

Oleynikov等[24]為了提高內(nèi)窺鏡在體內(nèi)活動的靈活性，開發(fā)了在體內(nèi)可移動的內(nèi)窺鏡機(jī)器人，攝像機(jī)的云臺可以水平360°、傾斜45°、前進(jìn)和后退45°范圍活動，由LED提供光源，兩個獨立的永磁直流電動機(jī)提供驅(qū)動。三腳架腿是裝有扭轉(zhuǎn)彈簧，可以折疊收縮，在導(dǎo)管內(nèi)進(jìn)退自如。已用于豬膽囊實驗，該機(jī)器人從可視化角度增強(qiáng)了手術(shù)視角，增加了CCD定位深度，提高了手術(shù)安全性，見圖3。

Rentschler等[25]開發(fā)了經(jīng)NOTES平臺導(dǎo)入腹腔，用于腹腔探查的微型機(jī)器人。這種機(jī)器人直徑12 mm，長度75 mm，具有螺旋狀的輪狀結(jié)構(gòu)，由2只微型電機(jī)驅(qū)動，可以在腹腔內(nèi)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，不會造成組織損傷。作者將該機(jī)器人經(jīng)胃鏡導(dǎo)入胃中，而后經(jīng)胃壁上的切口導(dǎo)入腹腔，完成腹腔探查后用胃鏡的抓持器械取出，見圖4。

Lehman等[26]介紹了經(jīng)NOTES途徑導(dǎo)入腹腔的微型手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)由微型機(jī)器人、定位磁鐵和控制臺組成。機(jī)器人由胃鏡導(dǎo)入腹腔后，由磁定位系統(tǒng)固定于腹壁。機(jī)器人具備可提供立體視頻圖像的攝像頭，兩側(cè)可以伸出操作臂進(jìn)行操作，其供能與機(jī)械臂活動為有線方式控制。作者進(jìn)行了3例動物實驗，并用這種微型機(jī)器人完成了動物膽囊切除，見圖5。

此外，Phee等[27]開發(fā)了纜繩驅(qū)動雙臂微型機(jī)器人。該系統(tǒng)具有2個操作臂的微型機(jī)器人安裝在內(nèi)鏡前端，經(jīng)NOTES途徑進(jìn)入腹腔進(jìn)行手術(shù)操作，完成腹壁無瘢痕的微型機(jī)器人手術(shù)。Hawks等[28]近期開發(fā)出無線控制的體內(nèi)操作微型機(jī)器人，可以由醫(yī)生通過控制器進(jìn)行遙控操作。與現(xiàn)有的腹腔鏡機(jī)器人相比，該系統(tǒng)費用低廉，便于攜帶，占用較少的手術(shù)室空間[29-31]。

2　討論

綜合國內(nèi)外微創(chuàng)外科機(jī)器人的研究情況來看，微型體內(nèi)手術(shù)機(jī)器人是手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點。特別是微型機(jī)器人的靈巧性設(shè)計、手術(shù)機(jī)器人的定位、運動規(guī)劃與控制、操作力的實時測量與力反饋等關(guān)鍵技術(shù)，有必要就所涉及到的理論和方法學(xué)問題進(jìn)行深入探討和研究。

現(xiàn)代微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人主操作手缺失力感覺，嚴(yán)重制約了主從式手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展和實用價值。帶有力感覺的操作手，通常也稱為力反饋操作手，它能給操作者帶來手術(shù)真實感和觸覺功能，而且，虛擬現(xiàn)實力反饋技術(shù)能將手術(shù)工具末端與人體組織間的作用力，不需要力傳感器的信號采集與處理，傳遞到操作者手部，讓醫(yī)生具有親臨手術(shù)現(xiàn)場的感覺。這種力反饋方式既節(jié)省了手術(shù)器械的操作空間，又提高了手術(shù)效率。

主從操控技術(shù)是手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行遙操作和微操作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。主從操作臂間的運動空間映射，能實現(xiàn)微操作。主從操作臂間的力空間映射，能實現(xiàn)微操作下的精細(xì)手術(shù)。基于網(wǎng)絡(luò)的實時控制，主從操作臂還達(dá)到遙操作的目的。

研制一套主從操控體系，不僅可為微創(chuàng)外科機(jī)器人提供理論支持，還可將研究成果擴(kuò)展于手術(shù)評價，為病灶的診斷與治療提供有效思路，具有臨床價值和廣闊的市場應(yīng)用前景。