智能手術(shù)機(jī)器人及其應(yīng)用

謝俊祥 張琳

1 中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息研究所 （北京 100020）

2 中國(guó)青年政治學(xué)院圖書(shū)館 （北京 100089）

0.前言

智能手術(shù)機(jī)器人是集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、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[1～3]，其源起于1985 年的第一臺(tái)用于腦組織活檢的醫(yī)用機(jī)器人Puma560[4]。在隨后的20 多年里，全世界特別是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的眾多科研院所、大學(xué)、醫(yī)院和醫(yī)療器械公司等機(jī)構(gòu)投入大量資金和人力進(jìn)行醫(yī)用機(jī)器人的研究[5]，將工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、醫(yī)療影像技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善[6]，并與醫(yī)療手術(shù)過(guò)程、醫(yī)生的主觀判斷以及臨床經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，不僅引發(fā)了手術(shù)過(guò)程的革命，同時(shí)將智能手術(shù)機(jī)器人逐漸發(fā)展成為一個(gè)新型產(chǎn)業(yè)。目前手術(shù)機(jī)器人在醫(yī)療外科手術(shù)規(guī)劃模擬、微損傷精確定位操作、無(wú)損傷診斷與檢測(cè)、新型手術(shù)醫(yī)學(xué)治療方法等方面得到了廣泛的應(yīng)用[2,3,7]。本文在對(duì)智能手術(shù)機(jī)器人發(fā)展史進(jìn)行回顧的基礎(chǔ)上，對(duì)智能手術(shù)機(jī)器人的技術(shù)原理和臨床應(yīng)用進(jìn)行深入分析，探討智能手術(shù)機(jī)器人未來(lái)的研發(fā)動(dòng)向。

1.智能手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展史

“robot”（機(jī)器人）一詞最早來(lái)自于捷克劇作家Joseph Capek1921 年的《Rossum’ s Universal Robots》劇本，隨后Issac Asimov 在Capek 的基礎(chǔ)上對(duì)robot 進(jìn)行重新定義。但人類對(duì)于機(jī)器人的發(fā)明遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于Capek。最著名的包括公元前400 年Archytas 的wooden bird（木鳥(niǎo)）、1495 年Leonardo da Vinci 的da Vinci’s robot（仿人型機(jī)械）、1540 年GianelloToriano 的Mandolin-playing lady（彈琵琶的少女）、1772 年Jaquet-Droz 的the writer（寫(xiě)字男孩）等[8]。隨著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[9]，從此工業(yè)機(jī)器人逐漸進(jìn)入到醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)器械等各個(gè)領(lǐng)域。

機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用最早可追溯至殘疾人日常輔助康復(fù)器械RAID（Robot for Assisting the Integration of the Disabled）系統(tǒng)。而機(jī)器人首次協(xié)助手術(shù)治療則開(kāi)始于基于工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)的Puma560（Programmable Universal Manipulation Arm，PUMA），該機(jī)器人是由Victor Scheinmann 于1978 年研制的，具有6 個(gè)自由度，為第一個(gè)具有真正靈活度的機(jī)械手臂。1985 年，美國(guó)洛杉磯醫(yī)院用來(lái)進(jìn)行腦組織活檢中探針的導(dǎo)向定位[4]。

在隨后的27 年間，全世界特別是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的眾多科研院所、大學(xué)、醫(yī)院和醫(yī)療器械公司等機(jī)構(gòu)投入大量資金和人力進(jìn)行醫(yī)用機(jī)器人的研究，并開(kāi)發(fā)出適應(yīng)各種手術(shù)的眾多機(jī)器人系統(tǒng)（如表1 所示），其中被FDA 批準(zhǔn)且具有重要影響力的主要有以下三種（見(jiàn)表2）。

（1） AESOP（伊索）

1994 年出現(xiàn)的機(jī)器人伊索（AESOP）被設(shè)計(jì)用來(lái)接收手術(shù)醫(yī)生的指示并控制腹腔鏡攝像頭。該機(jī)器人由美國(guó)Computer Motion 公司研制，包括AESOP-1000、AESOP-2000、AESOP-3000 三個(gè)階段的產(chǎn)品，充分體現(xiàn)了介入手術(shù)的特點(diǎn)，即減輕患者痛苦和損傷、康復(fù)快和費(fèi)用低等。該機(jī)器人還可模仿人手臂功能，實(shí)現(xiàn)聲控設(shè)置，取消了對(duì)輔助人員手動(dòng)控制內(nèi)窺鏡的需要，提供比人為控制更精確一致的鏡頭運(yùn)動(dòng)，為醫(yī)生提供直接、穩(wěn)定的術(shù)野，被美國(guó)食品和藥品檢驗(yàn)局（FDA）首次批準(zhǔn)運(yùn)用于臨床[6～8,12,15,16]。

（2） ZEUS（宙斯）

1996 年初，美國(guó)Computer Motion 公司在AESOP 系列機(jī)器人的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出功能強(qiáng)大的視覺(jué)系統(tǒng)，推出主從遙控操作的ZEUS 機(jī)器人，用于微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)。ZEUS 機(jī)器人分為Surgeonside 系統(tǒng)和Patient-side 系統(tǒng)，Surgeon-side 系統(tǒng)由一對(duì)主手和監(jiān)視器構(gòu)成，醫(yī)生可以坐著操縱主手手柄，并通過(guò)控制臺(tái)上的顯示器觀看由內(nèi)窺鏡拍攝的患者體內(nèi)情況。Patient-side 由用于定位的兩個(gè)機(jī)器人手臂和一個(gè)控制內(nèi)窺鏡位置的機(jī)器人手臂組成[1,2,7,8,15]。

（3） Da Vinci（達(dá)芬奇）

2000 年1 月9 日，美國(guó)Intuitive Surgical 公司成功開(kāi)發(fā)出Da Vinci（達(dá)芬奇）外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)于1999 年取得歐洲CE 認(rèn)證，2000 年取得美國(guó)FDA 認(rèn)證，是目前為數(shù)不多的商品化的使用技術(shù)之一。Da Vinci 系統(tǒng)主要由3部分組成，即外科醫(yī)生控制臺(tái)，機(jī)械臂、攝像臂和手術(shù)器械組成的手術(shù)臺(tái)車以及三維高清視頻影像平臺(tái)。其最大特點(diǎn)是：實(shí)施手術(shù)時(shí)外科醫(yī)生不與病人直接接觸，通過(guò)觀察監(jiān)視器操作控制系統(tǒng)，醫(yī)生的動(dòng)作通過(guò)計(jì)算機(jī)傳遞給手術(shù)臺(tái)邊的機(jī)械手，機(jī)械手的前端安裝各種微創(chuàng)手術(shù)器械模擬外科醫(yī)生的技術(shù)動(dòng)作[1,3,7,8,12,17～19]。

2.智能手術(shù)機(jī)器人技術(shù)情況

智能手術(shù)機(jī)器人的種類繁多，機(jī)械和系統(tǒng)構(gòu)成千差萬(wàn)別，同時(shí)其研究領(lǐng)域涉及眾多學(xué)科知識(shí)，但大多數(shù)的智能手術(shù)機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)和工作流程大體相同，其技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)也大致相似。本部分主要介紹主流智能機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成、工作流程以及關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 智能手術(shù)機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成

智能手術(shù)機(jī)器人是一種計(jì)算機(jī)輔助的新型的人機(jī)外科手術(shù)平臺(tái)。主要利用空間導(dǎo)航控制技術(shù)，將醫(yī)學(xué)影像處理輔助診斷系統(tǒng)、機(jī)器人以及外科醫(yī)師進(jìn)行了有效的結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)術(shù)前模擬手術(shù)環(huán)境進(jìn)行手術(shù)方案的規(guī)劃和手術(shù)流程計(jì)劃，術(shù)中根據(jù)擬定的手術(shù)方案和手術(shù)流程進(jìn)行自動(dòng)實(shí)施精確的手術(shù)器械空間定位、定姿，減少人為震顫及醫(yī)師工作量，同時(shí)還可請(qǐng)異地專家實(shí)施網(wǎng)絡(luò)虛擬手術(shù)。其主要包括機(jī)械手或機(jī)械臂、傳感器、控制器和動(dòng)力源四部分[3]。

（1） 機(jī)械手或機(jī)械臂

機(jī)械手或機(jī)械臂是以關(guān)節(jié)連在一起的許多機(jī)械連桿的集合體，形成開(kāi)環(huán)的運(yùn)動(dòng)學(xué)鏈系，包括齒輪、聯(lián)軸器等。一般分為兩類：一類是可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的“轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)”，一類是產(chǎn)生線性或平移運(yùn)動(dòng)的“線性關(guān)節(jié)”。機(jī)械手或機(jī)械臂關(guān)節(jié)的數(shù)量決定了智能手術(shù)機(jī)器人自由度的數(shù)量，如Zeus（宙斯）系統(tǒng)擁有4 個(gè)自由度，而Da Vinci（達(dá)芬奇）系統(tǒng)擁有7 個(gè)自由度。而自由度越多的智能手術(shù)機(jī)器人其靈活性越好，在臨床應(yīng)用越廣泛。

（2） 傳感器

傳感器類似于人體的感受器，能收集手術(shù)所需要的各種信息，如視覺(jué)、觸覺(jué)、位置、速度等，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳遞給機(jī)器人的控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理完成后產(chǎn)生控制信號(hào)，反饋到傳感器或機(jī)械手機(jī)械臂進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，可提供模擬、數(shù)字或模數(shù)混合式信號(hào)。

（3） 控制器

智能機(jī)器人的控制器需要具備三個(gè)功能：①與傳感器接通，能夠分析和處理傳感器所收集的信息；②配備存儲(chǔ)器，能夠存儲(chǔ)傳感器收集的各種信息，同時(shí)存儲(chǔ)術(shù)前預(yù)先設(shè)定的手術(shù)方案和流程；③具備必要的數(shù)字計(jì)算能力，根據(jù)存儲(chǔ)器信息，控制機(jī)械手或機(jī)械臂各部件按預(yù)定程序在規(guī)定的點(diǎn)開(kāi)始和結(jié)束動(dòng)作。

（4） 動(dòng)力源

動(dòng)力源即功率變換單元。為機(jī)械手或機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)部件提供必需的能量。

2.2 智能手術(shù)機(jī)器人的工作流程

圖1. 智能手術(shù)機(jī)器人的工作流程

通過(guò)CT、MRI、PET 等醫(yī)學(xué)影像設(shè)備獲得病人病灶點(diǎn)及周圍組織圖像后，經(jīng)過(guò)主控計(jì)算機(jī)的三維重建構(gòu)成一個(gè)“虛擬病人”。醫(yī)師在虛擬手術(shù)環(huán)境下討論和完成手術(shù)規(guī)劃，確定出最佳的手術(shù)方案，制定出手術(shù)流程規(guī)劃，并將指令傳給主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)和機(jī)器人通過(guò)映射測(cè)量和映射變換將醫(yī)學(xué)影像空間的指令參數(shù)變換到機(jī)器人的指令和操作空間中，主控系統(tǒng)按手術(shù)方案和手術(shù)計(jì)劃流程對(duì)機(jī)器人實(shí)施全過(guò)程的導(dǎo)航自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)按預(yù)先規(guī)劃完成指定的手術(shù)操作過(guò)程。其具體的流程如圖1 所示[3,21]。

2.3 智能手術(shù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

智能手術(shù)機(jī)器人的研究涉及眾多領(lǐng)域的知識(shí)，其關(guān)鍵技術(shù)包括智能手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、醫(yī)學(xué)三維圖像建模技術(shù)、虛擬手術(shù)仿真技術(shù)、遠(yuǎn)程操作網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等[2,12]。

（1） 智能手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

智能手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的研制是醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。雖然隨著人體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同以及用途的不同機(jī)器人結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，但研制所有類型的智能手術(shù)機(jī)器人時(shí)都需注意：①根據(jù)手術(shù)對(duì)象和應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，合理調(diào)控靈活度、運(yùn)動(dòng)范圍和精度三者的等級(jí)；②根據(jù)實(shí)際要求選擇智能機(jī)器人的動(dòng)力源類型；③符合醫(yī)師操作習(xí)慣，便于醫(yī)師操作；④小型化微型化，安裝、保養(yǎng)、維修簡(jiǎn)單且費(fèi)用低廉。

（2） 醫(yī)學(xué)三維圖像建模技術(shù)

基于CT、MRI 等醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行3D 建模，并基于3D 圖像進(jìn)行標(biāo)定和手術(shù)規(guī)劃是智能手術(shù)機(jī)器人的又一關(guān)鍵技術(shù)。智能機(jī)器人利用獲取的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維圖像重建，利用3D 可視化模型真實(shí)反映人體器官的解剖結(jié)構(gòu)或畸變特征，幫助醫(yī)生深入細(xì)致的定性、定位和定量分析病理解剖特征，完成手術(shù)模擬、術(shù)前規(guī)劃，提高診斷和治療質(zhì)量。

（3） 虛擬手術(shù)仿真技術(shù)

虛擬手術(shù)仿真技術(shù)是指計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)模擬、指導(dǎo)機(jī)器人醫(yī)療手術(shù)中所涉及的各種過(guò)程，包括術(shù)前的手術(shù)計(jì)劃制定和排練、術(shù)中的引導(dǎo)和術(shù)后的康復(fù)等。

（4） 遠(yuǎn)程操作網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

近年來(lái)，由于網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的進(jìn)步，專家遠(yuǎn)程手術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，但是目前遠(yuǎn)程手術(shù)大多依賴于特定的專用通信網(wǎng)絡(luò)，其費(fèi)用十分高昂。如何利用通用Internet 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手術(shù)是目前智能手術(shù)機(jī)器人的研究熱點(diǎn)，而解決Internet 網(wǎng)絡(luò)傳輸存在的時(shí)延、亂序及數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題，為遠(yuǎn)程專家提供手術(shù)場(chǎng)景臨場(chǎng)感、提高機(jī)器人操作效能以及應(yīng)時(shí)感覺(jué)反饋，才能真正實(shí)現(xiàn)智能手術(shù)機(jī)器人對(duì)于專家遠(yuǎn)程手術(shù)的價(jià)值。

3.智能手術(shù)機(jī)器人的臨床應(yīng)用

21 世紀(jì)醫(yī)療的發(fā)展方向是在治療的同時(shí)，盡量保留患者的生理結(jié)構(gòu)和功能，智能手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)由于其手術(shù)微創(chuàng)的特點(diǎn)，以及技術(shù)上體現(xiàn)出的前所未有的優(yōu)越性：多個(gè)活動(dòng)自由度提高手術(shù)精度，高分辨率的三維圖像處理設(shè)備有利于醫(yī)師的組織定位和操作，術(shù)中自動(dòng)慮顫幫助減少誤操作的發(fā)生，醫(yī)師采取坐姿進(jìn)行系統(tǒng)操作有助于減少醫(yī)師疲勞；已被廣泛應(yīng)用于普外科、心臟外科、婦科、骨科以及泌尿外科領(lǐng)域，如表3 所示。

表3. 智能手術(shù)機(jī)器人臨床應(yīng)用情況

4.存在問(wèn)題及發(fā)展方向

智能手術(shù)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用已充分表明其技術(shù)的先進(jìn)性，但并非完美無(wú)缺，由于其在臨床推廣應(yīng)用時(shí)間短，所以仍存在一些缺陷，主要表現(xiàn)在以下三方面。

（1）自身缺陷

目前的智能手術(shù)機(jī)器人尚無(wú)觸覺(jué)反饋體系，缺乏應(yīng)力的反饋，導(dǎo)致容易抓破易碎組織以及不能感覺(jué)所打結(jié)的松緊度；其次，智能手術(shù)機(jī)器人整套設(shè)備體積過(guò)于龐大；安裝、調(diào)試比較復(fù)雜，在使用過(guò)程中易發(fā)生各種機(jī)械故障；最后，智能手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)，需要耗費(fèi)大量的學(xué)習(xí)、術(shù)前準(zhǔn)備以及術(shù)中更換的時(shí)間。

（2）使用成本昂貴

由于生產(chǎn)商通過(guò)收購(gòu)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和專利保護(hù)等手段，使得智能手術(shù)機(jī)器人這一領(lǐng)域形成了暫時(shí)的壟斷，從而導(dǎo)致智能手術(shù)機(jī)器人購(gòu)置費(fèi)用、手術(shù)成本以及維修費(fèi)用極其昂貴。以第3 代四臂達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其購(gòu)置費(fèi)用達(dá)2000 萬(wàn)元以上，且操作器械每用10 次就要強(qiáng)制性更換，同時(shí)還要每4 個(gè)月進(jìn)行1 次預(yù)防性維修，其所需費(fèi)用對(duì)于規(guī)模中下的醫(yī)院來(lái)說(shuō)，是一筆很大的開(kāi)支。

（3）培訓(xùn)不規(guī)范

智能手術(shù)機(jī)器人的培訓(xùn)暫由生產(chǎn)廠家委托供應(yīng)商負(fù)責(zé)，但培訓(xùn)的內(nèi)容卻是以國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本，相關(guān)的理論學(xué)習(xí)、設(shè)備的熟悉操作、模擬訓(xùn)練以及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)踐等與我國(guó)的實(shí)際情況存在一定的差異；同時(shí)，由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有相關(guān)的培訓(xùn)基地和資格認(rèn)證措施，使得培訓(xùn)人員的數(shù)量、訓(xùn)練內(nèi)容、實(shí)際操作質(zhì)量等良莠不齊。

盡管智能手術(shù)機(jī)器人仍存在以上問(wèn)題，但畢竟智能手術(shù)機(jī)器人正式應(yīng)用于臨床研究只不過(guò)十余年的時(shí)間，就已經(jīng)極大地提高了手術(shù)的精度和準(zhǔn)度，隨著醫(yī)學(xué)和科技的進(jìn)步，智能手術(shù)機(jī)器人必將會(huì)逐步解決以上問(wèn)題。并且會(huì)迎合手術(shù)外科發(fā)展的趨勢(shì)，在設(shè)備的改進(jìn)和技術(shù)的完善上獲得更大的空間：①智能手術(shù)機(jī)器人更加低成本化、小型化、智能化、無(wú)創(chuàng)性、實(shí)用性。從而適用多種環(huán)境，更易操控，在現(xiàn)有“數(shù)字人體”的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)專門(mén)程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人主動(dòng)識(shí)別疾病所在，自動(dòng)制定手術(shù)方案，經(jīng)醫(yī)師審定后，自動(dòng)完成手術(shù)，實(shí)現(xiàn)疾病診斷，真正實(shí)現(xiàn)疾病診斷、手術(shù)的“全機(jī)器人化”；②智能手術(shù)機(jī)器人在未來(lái)將克服網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳送過(guò)程的延遲、中斷、丟失和成本高昂等瓶頸，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程外科手術(shù)的設(shè)想。在不久的將來(lái)，外科醫(yī)師無(wú)論身處何處都能及時(shí)的為需要幫助的患者提供高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)。

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