手術(shù)機(jī)器人導(dǎo)航與控制技術(shù)研究綜述

王培企

摘 要：隨著手術(shù)復(fù)雜程度的不斷提高和相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，手術(shù)機(jī)器人得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果。導(dǎo)航與控制技術(shù)是手術(shù)機(jī)器人的核心技術(shù)，本文通過(guò)對(duì)多種手術(shù)機(jī)器人的技術(shù)分析，從計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器人定位、虛擬仿真手術(shù)、實(shí)時(shí)導(dǎo)航與實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)交互等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述分析，最后對(duì)當(dāng)前面臨的主要問(wèn)題和今后的發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：手術(shù)機(jī)器人；計(jì)算機(jī)視覺(jué)；虛擬仿真手術(shù)；實(shí)時(shí)導(dǎo)航

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）11-0057-03

1 引言

隨著社會(huì)物質(zhì)生活水平的不斷提高和日趨復(fù)雜多樣的臨床需求，手術(shù)復(fù)雜程度不斷增加、要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)基于手工操作的手術(shù)模式不僅需要熟練的技術(shù)和豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)、工作量大，不可避免地導(dǎo)致人員疲勞，輕則影響手術(shù)效果、重則導(dǎo)致醫(yī)療事故。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理、精密儀器等技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)將醫(yī)療需求和工程科學(xué)的技術(shù)進(jìn)步相結(jié)合，改變單純依靠醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行診斷、治療和手術(shù)的傳統(tǒng)模式，研制了多種不同類(lèi)型的手術(shù)機(jī)器人，完成/輔助完成傳統(tǒng)方法難以完成的復(fù)雜診斷和手術(shù)。這既有效提高了手術(shù)效率和精度，又減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度、降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，手術(shù)機(jī)器人也有助于降低醫(yī)務(wù)工作者的勞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，可有效避免醫(yī)生在放射條件下工作的風(fēng)險(xiǎn)及手術(shù)中被感染的概率。隨著技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，已經(jīng)多種手術(shù)機(jī)器人投入臨床手術(shù)應(yīng)用中。手術(shù)機(jī)器人的出現(xiàn)促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，它不再單純依賴(lài)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)病情檢測(cè)與數(shù)據(jù)獲取更加規(guī)范，這大大促進(jìn)了相關(guān)醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展。手術(shù)機(jī)器人的產(chǎn)生及臨床應(yīng)用，不僅是科學(xué)技術(shù)提高人民健康水平的具體應(yīng)用，滿(mǎn)足了全社會(huì)日益增長(zhǎng)的醫(yī)療需求，同時(shí)也具有極高的商業(yè)價(jià)值。

截至2014年底，美國(guó)Intuitive Surgical公司的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)裝機(jī)達(dá)3266臺(tái)，國(guó)內(nèi)引入價(jià)格高達(dá)2000萬(wàn)元。手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)不只具有廣大的銷(xiāo)售市場(chǎng)，更存在能改變醫(yī)療行業(yè)規(guī)則的潛力，是未來(lái)醫(yī)療領(lǐng)域布局的重要戰(zhàn)略性?xún)x器設(shè)備。我國(guó)將在手術(shù)機(jī)器人熱潮中迎來(lái)重要發(fā)展機(jī)會(huì)。我國(guó)目前市場(chǎng)達(dá)到8.5億，到2018年將達(dá)到15.7億。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相繼出臺(tái)了支持高新醫(yī)療器械研發(fā)的相關(guān)政策，國(guó)內(nèi)高等院校、科研機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)取得了多項(xiàng)技術(shù)突破與研究成果，我國(guó)將有望打破手術(shù)機(jī)器人進(jìn)口壟斷的局勢(shì)。構(gòu)建涵蓋，從研制、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、耗材與保養(yǎng)、技術(shù)支持與售后服務(wù)等方面的手術(shù)機(jī)器人全產(chǎn)業(yè)鏈體系。

本論文主要針對(duì)手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域中的導(dǎo)航與控制技術(shù)的相關(guān)研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)難點(diǎn)等進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 手術(shù)機(jī)器人概述

2.1 手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展

手術(shù)機(jī)器人的主要代表產(chǎn)品如表1所示。

（1）第一臺(tái)真正的醫(yī)療機(jī)器人——ROBODOC。由美國(guó)IBM Thomas J.Watson研究中心和加利福利亞大學(xué)聯(lián)合成立的Integrated Surgical Systems于1992年推出手術(shù)機(jī)器人ROBODOC[1]，并被FDA認(rèn)可通過(guò)。該機(jī)器人可完成全髖骨替換、髖骨置換及修復(fù)和膝關(guān)節(jié)置換等手術(shù)，髖關(guān)節(jié)置換過(guò)程中，它對(duì)股骨的調(diào)整精確度達(dá)到96%，而醫(yī)生手工操作的精確度只有75%[2]。（2）第一臺(tái)商業(yè)化的手術(shù)機(jī)器人——AESOP。AESOP是由美國(guó)Computer Motion公司開(kāi)始研發(fā)的伊索系列機(jī)器人[3-4]。王友侖在 1989 年開(kāi)始研究“伊索”（AESOP），并于1997年研制成功。該機(jī)器人可以模仿人手臂功能，實(shí)現(xiàn)聲控設(shè)置，輔助人員無(wú)需手動(dòng)控制內(nèi)窺鏡，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)定的視場(chǎng)。（3）遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人ZEUS與后起之秀Da Vinci。Computer Motion推出的ZEUS機(jī)器人是外科史上繼微創(chuàng)技術(shù)及電腦輔助應(yīng)用后的第三次變革，引入了遠(yuǎn)程手術(shù)的概念。2001年，完成了醫(yī)師與患者異地的膽囊摘除手術(shù)。達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人是目前全球最成功及應(yīng)用最廣泛的手術(shù)機(jī)器人[5-6]，代表著當(dāng)今手術(shù)機(jī)器人最高水平，它主要由醫(yī)生控制系統(tǒng)、三維成像視頻影像平臺(tái)和擁有機(jī)械臂、攝像臂和手術(shù)器械構(gòu)成的移動(dòng)平臺(tái)等三部分組成。實(shí)施手術(shù)時(shí)，主刀醫(yī)師通過(guò)三維視覺(jué)系統(tǒng)和動(dòng)作定標(biāo)系統(tǒng)操作控制，由機(jī)械臂與手術(shù)器械模擬完成醫(yī)生的技術(shù)動(dòng)作和手術(shù)操作。截止2010年，達(dá)芬奇微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人已推出已在全世界裝機(jī)1752臺(tái)，已經(jīng)成功開(kāi)展了25萬(wàn)多例機(jī)器人手術(shù)。

2.2 主要研究機(jī)構(gòu)

手術(shù)機(jī)器人主要研究機(jī)構(gòu)[7]主要有麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室醫(yī)學(xué)視覺(jué)組、斯坦福大學(xué)圖像導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室、卡耐基梅隆大學(xué)與西賓夕法尼亞醫(yī)院合作的醫(yī)學(xué)機(jī)器人與計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)研究中心、哈佛醫(yī)學(xué)院與Brigham and Womens Hospital醫(yī)院的外科手術(shù)規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室、霍普金斯大學(xué)國(guó)家科學(xué)基金工程中心的計(jì)算機(jī)集成外科手術(shù)系統(tǒng)與技術(shù)組等。其中，美國(guó)麻省理工學(xué)院、哈佛醫(yī)學(xué)院等高校取得了較大的理論研究成果。另外，通用醫(yī)療、飛利浦、西門(mén)子、美敦力、Brain Lab、東芝等醫(yī)療器械廠商紛紛推出了自己的手術(shù)機(jī)器人產(chǎn)品。

2.3 手術(shù)機(jī)器人面臨的主要問(wèn)題

雖然手術(shù)機(jī)器人有著諸多優(yōu)點(diǎn)與巨大潛力，但仍受技術(shù)條件制約。手術(shù)機(jī)器人價(jià)格較高，達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人采購(gòu)費(fèi)用在1700萬(wàn)人民幣左右[8]，且使用成本較高，部分器械屬手術(shù)耗材，每例手術(shù)平均耗材費(fèi)用約2萬(wàn)元。其次，系統(tǒng)復(fù)雜，醫(yī)務(wù)工作者需要花費(fèi)一定時(shí)間才能完全掌握?！皩?dǎo)航與控制技術(shù)”是手術(shù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，同時(shí)也是手術(shù)機(jī)器人的核心技術(shù)，存在以下幾個(gè)難點(diǎn)[9]：

（1）機(jī)器人作業(yè)范圍有限，容易進(jìn)入死機(jī)狀態(tài)；需要有效提高其作業(yè)范圍，提高導(dǎo)航能力。（2）為了減少手動(dòng)控制，系統(tǒng)誤差也會(huì)不可避免的增大。（3）由于雙手不直接接觸手術(shù)部位，缺乏觸覺(jué)反饋，無(wú)法判斷質(zhì)地、彈性、有無(wú)搏動(dòng)等性質(zhì)。（4）手術(shù)機(jī)器人改變了醫(yī)生業(yè)已習(xí)慣的手術(shù)流程，對(duì)操作醫(yī)師的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技巧、外語(yǔ)水平以及影像學(xué)知識(shí)等要求較高，技術(shù)門(mén)檻較高，操作較復(fù)雜。

3 手術(shù)機(jī)器人導(dǎo)航與控制技術(shù)分析

3.1 手術(shù)流程

手術(shù)的整體流程如圖1所示，傳統(tǒng)手術(shù)和機(jī)器人手術(shù)均需要首先對(duì)病患處進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，醫(yī)生根據(jù)病人情況，結(jié)合臨床經(jīng)驗(yàn)制定手術(shù)計(jì)劃，然后直接施行手術(shù)。與傳統(tǒng)手術(shù)不同[10]，手術(shù)機(jī)器人最大優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)三維重建技術(shù)進(jìn)行手術(shù)方案模擬，制定最合理方案，通過(guò)定位導(dǎo)引與實(shí)時(shí)導(dǎo)航進(jìn)行手術(shù)，最后進(jìn)行術(shù)后評(píng)估。

3.2 視覺(jué)技術(shù)

（1）機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)展。導(dǎo)航與控制技術(shù)是手術(shù)機(jī)器人的核心技術(shù)，視覺(jué)技術(shù)是導(dǎo)航技術(shù)的關(guān)鍵。典型機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)包括光源、數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)、智能決策與控制執(zhí)行系統(tǒng)等。機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)分為三代[11-12]。第一代主要功能為圖像采集與處理，功能簡(jiǎn)單；第二代有一定的學(xué)習(xí)自適應(yīng)能力；第三代采用高速圖像處理芯片，具有一定的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)能力[13-14]。（2）計(jì)算機(jī)視覺(jué)。計(jì)算機(jī)的視覺(jué)可分為兩種，一種只需要圖形的被動(dòng)方法，另一種則需要控制光源進(jìn)入特定環(huán)境進(jìn)行主動(dòng)的獲取。與被動(dòng)的獲取不同，主動(dòng)獲取通過(guò)自身光源創(chuàng)造自己所需的拍攝環(huán)境。以ToF（Time of flight）相機(jī)為例，采用肉眼不可見(jiàn)的紅外照明，通過(guò)光線(xiàn)反射時(shí)間從而計(jì)算深度，從而通過(guò)像機(jī)獲取實(shí)時(shí)圖像及三維深度信息。ToF相機(jī)在醫(yī)學(xué)的內(nèi)鏡等領(lǐng)域有極為廣泛的應(yīng)用。（3）視覺(jué)定位技術(shù)。常規(guī)腹腔鏡圖像分辨率可達(dá)到1920×1080像素，圖像分辨率高，可滿(mǎn)足常規(guī)手術(shù)的需要[15]。然而，二維成像技術(shù)難以滿(mǎn)足日益提高的手術(shù)精度要求。二維成像技術(shù)由于在透視投影變換中消去了深度信息，可能導(dǎo)致對(duì)一些重要的生理解剖結(jié)構(gòu)等視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)，影響手術(shù)安全。二維成像技術(shù)的不足促進(jìn)了三維成像技術(shù)的發(fā)展。達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人成像系統(tǒng)[16]采用高分辨率三維內(nèi)窺鏡，能為醫(yī)生提供患者體腔內(nèi)三維高清實(shí)時(shí)圖像，從而更方便高效地完成手術(shù)，提升了手術(shù)精度。

立體視覺(jué)通過(guò)利用多幅二維圖像恢復(fù)物體三維空間的位置與形狀，是三維重建技術(shù)的主要方法[17]。雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)模仿人類(lèi)眼睛的成像原理，從不同視覺(jué)角度觀察同一物體的立體視覺(jué)系統(tǒng)[18-19]。雙目立體視覺(jué)定位系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)不同攝像頭進(jìn)行圖像采集確定像機(jī)的相位位置和姿態(tài)，完成系統(tǒng)標(biāo)定，然后求出空間點(diǎn)在兩幅圖像間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而可根據(jù)雙目視覺(jué)原理對(duì)匹配好的特征點(diǎn)進(jìn)行三維重建，最終得到三維場(chǎng)景模型。

3.3 虛擬仿真

醫(yī)生可借助相關(guān)軟件通過(guò)對(duì)獲取的三維圖像和三維場(chǎng)景進(jìn)行多次虛擬手術(shù)，得到最佳解決方案。這些軟件包括Mimics和Dolphin Imaging等，它們提供了三維分析、模擬截骨手術(shù)、模式識(shí)別與轉(zhuǎn)換等諸多功能，Dolphin等軟件甚至可以通過(guò)相關(guān)算法使用彩色增強(qiáng)圖像的真實(shí)感與渲染感，方便醫(yī)生制定更完備具體的手術(shù)計(jì)劃。

3.4 實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)

手術(shù)實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)目前被廣泛應(yīng)用于脊髓科，骨科，神經(jīng)科，牙種植外科等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，也被應(yīng)用于術(shù)后創(chuàng)傷回復(fù)等方面。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)主要流程：將CT等設(shè)備獲取的人體數(shù)據(jù)與醫(yī)生擬定的手術(shù)計(jì)劃裝訂至導(dǎo)航計(jì)劃軟件中，一般可將預(yù)定標(biāo)識(shí)或牙齒、骨頭等作為參考點(diǎn)標(biāo)記三維重建場(chǎng)景中；通過(guò)這些參考點(diǎn)，可建立虛擬圖像與病人實(shí)體間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；最后通過(guò)參考點(diǎn)對(duì)實(shí)際手術(shù)與虛擬手術(shù)進(jìn)行匹配驗(yàn)證和導(dǎo)引。

3.5 虛擬與現(xiàn)實(shí)的聯(lián)系

手術(shù)仿真系統(tǒng)工作模式表2所示，手術(shù)仿真系統(tǒng)可分為離線(xiàn)仿真式、主從操作式以及監(jiān)控式[20]。

4 結(jié)語(yǔ)

手術(shù)機(jī)器人導(dǎo)航與控制技術(shù)面臨的主要問(wèn)題：（1）受到圖像處理與目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的限制，在處理大分辨率圖像或者復(fù)雜背景特征提取時(shí)，圖像處理實(shí)時(shí)性較差和特征識(shí)別成功率較低，不能有效快速地識(shí)別目標(biāo)。（2）標(biāo)定結(jié)果誤差、軟硬件干擾均會(huì)導(dǎo)致視覺(jué)系統(tǒng)誤差增大[21]，影響手術(shù)效果。

以下幾點(diǎn)是今后一段時(shí)期內(nèi)手術(shù)機(jī)器人發(fā)展的重要突破方向：（1）降低制造成本及使用維護(hù)成本，使手術(shù)機(jī)器人更加普遍的投入應(yīng)用；（2）簡(jiǎn)化手術(shù)機(jī)器人復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化操作步驟，使醫(yī)生使用更加方便。（3）小型化與遠(yuǎn)程化，設(shè)備體積更小、易于運(yùn)輸，遠(yuǎn)程手術(shù)技術(shù)更加成熟；（4）智能化，具備一定的人工智能，對(duì)醫(yī)生的相關(guān)操作進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)估與告警。

參考文獻(xiàn)

[1]王成勇，謝國(guó)能，趙丹娜，等.醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人發(fā)展概況[J].工具技術(shù)，2016（07）：3-12.

[2]沈鵬.護(hù)士助手機(jī)器人導(dǎo)航與控制技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2006.

[3]師云雷.大延遲環(huán)境下遠(yuǎn)程微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].天津大學(xué)，2014.

[4]殷世平，徐芬華，黃霞萍.機(jī)器人輔助手術(shù)系統(tǒng)在腹腔鏡手術(shù)中應(yīng)用的配合體會(huì)[J].齊魯護(hù)理雜志，2005（14）：1265-1266.

[5]陳光富，王希友，張旭.達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在泌尿外科的臨床應(yīng)用及其評(píng)價(jià)[J].微創(chuàng)泌尿外科雜志，2013（04）：227-231.

[6]杜志江.達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)分析[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2011（04）：14-16.

[7]馬文娟.紅外手術(shù)導(dǎo)航儀關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海交通大學(xué)，2010.

[8]杜祥民，張永壽.達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)介紹及應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2011（05）：60-63.

[9]邵長(zhǎng)鋒.微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)與研究[D].武漢理工大學(xué)，2005.

[10]Lin H H， Lo L J. Three-dimensional computer-assisted surgical simulation and intraoperative navigation in orthognathic surgery： A literature review.[J].Journal of the Formosan Medical Association = Taiwan yizhi，2015（4）：300.

[11]王連朝.微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人視覺(jué)定位系統(tǒng)的研究[D].武漢理工大學(xué)，2006.

[12]Mirota D J， Ishii M， Hager G D. Vision-Based Navigation in Image-Guided Interventions[J].Annual Review of Biomedical Engineering，2011（13）：297-319.

[13]鐘玉琢.機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，1994.

[14]唐向陽(yáng)，張勇，李江有，等.機(jī)器視覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用展望[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（2）：36-39.

[15]嵇武.三維立體（3D）腹腔鏡的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)微創(chuàng)外科雜志，2016（06）：481-484.

[16]張偉.達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)——原理、系統(tǒng)組成及應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2015（03）：24-25+33.

[17]劉佳音，王忠立，賈云得.一種雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)的誤差分析方法[J].光學(xué)技術(shù)，2003（3）：354-357.

[18]方茜.微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人雙目立體視覺(jué)的圖像特征匹配技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2013.

[19]蔡欽濤.基于圖像的三維重建技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2004.

[20]張峰峰.機(jī)器人輔助骨科虛擬手術(shù)系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[21]張培.面向圖像采集的后處理關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)[D].東南大學(xué)，2014.