手術(shù)機器人發(fā)展現(xiàn)狀及定位精度的檢驗方法研究

北京市醫(yī)療器械檢驗所 醫(yī)療器械檢驗與安全性評價北京市重點實驗室（101111）向華 閆旭

機器人技術(shù)是二十世紀(jì)人類科學(xué)技術(shù)，特別是計算機、自動控制等現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的重要產(chǎn)物之一，80年代中期被引入手術(shù)治療，與傳統(tǒng)醫(yī)療器械與信息技術(shù)相結(jié)合，輔助外科醫(yī)生開展手術(shù)治療，其優(yōu)點在于適合執(zhí)行精確和重復(fù)性高的手術(shù)任務(wù)。

1 手術(shù)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀

手術(shù)機器人的出現(xiàn)使得外科手術(shù)趨向于微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化，將手術(shù)的創(chuàng)傷盡可能降低，在獲得理想的手術(shù)效果的同時減少了病人的痛苦，與傳統(tǒng)的外科手術(shù)相比而言，具有出血少、創(chuàng)傷小、安全可靠、術(shù)后恢復(fù)快、定位精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

1.1 手術(shù)機器人的分類 目前的手術(shù)機器人主要包括四類：神經(jīng)外科機器人、骨科機器人、腹腔鏡機器人、血管介入機器人。手術(shù)機器人涉及到圖像處理、視覺定位與跟蹤、路徑規(guī)劃、主從控制操作等關(guān)鍵技術(shù)問題。

1.1.1 神經(jīng)外科機器人 神經(jīng)外科手術(shù)機器人主要用于對腦部病灶位置精確的空間定位以及輔助醫(yī)生夾持和固定手術(shù)器械等。國外典型的神經(jīng)外科機器人有英國Renishaw公司NeuroMate、美國Pathfinder Technologies公司的Pathfinder和法國Medtech公司的Rosa機器人。

北京航空航天大學(xué)機器人研究所1995年率先開始進行機器人輔助神經(jīng)外科手術(shù)的研究，并在此領(lǐng)域取得突破性進展[1]，北航和海軍總醫(yī)院神經(jīng)外科中心合作研制出一套機器人輔助腦外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括手術(shù)規(guī)劃和導(dǎo)引軟件模塊，實現(xiàn)了術(shù)前規(guī)劃，對機器人在手術(shù)路徑與周圍重要器官的相對位置進行仿真，快速精準(zhǔn)地定位病灶靶點，引導(dǎo)機器人到規(guī)劃位姿，輔助醫(yī)生進行手術(shù)操作。北京柏惠維康科技有限公司研制的立體定向神經(jīng)外科手術(shù)機器人Remebot，包含六軸機械臂和一個CT／MRI視覺成像系統(tǒng)，這使醫(yī)生能夠進行更加精確的神經(jīng)外科微創(chuàng)手術(shù)。

附表 顱頜面手術(shù)導(dǎo)航機器人定位精度檢驗結(jié)果

1.1.2 骨科機器人 將機器人技術(shù)運用于骨科手術(shù)的研究最早開始于1992年，主要目的是完成髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)過程中的手術(shù)規(guī)劃和定位。國外有名的骨科機器人包括美國Curexo公司制造的Robodoc，主要用于膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)，美國Mako Surgical公司開發(fā)的RIO，主要面向膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)，以色列Mazor機器人公司的手術(shù)機器人產(chǎn)品Renaissance主要應(yīng)用于脊柱外科領(lǐng)域。

北京天智航醫(yī)療科技股份有限公司是國內(nèi)唯一一家專業(yè)從事骨科醫(yī)療機器人產(chǎn)業(yè)化的公司，成功研制出國內(nèi)第一臺擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的骨科機器人產(chǎn)品，并于2010年獲得了產(chǎn)品注冊許可證，成為國內(nèi)唯一、全球第五家獲得醫(yī)療機器人注冊許可證的公司，填補了國內(nèi)空白。2010年以來天智航的骨科機器人已經(jīng)應(yīng)用于中國的10多家醫(yī)院，完成了大約200臺手術(shù)。公司的第三代骨科手術(shù)機器人“天璣”，是國際上唯一能夠開展創(chuàng)傷骨科、脊柱外科手術(shù)的骨科機器人系統(tǒng)。

1.1.3 腹腔鏡機器人 腹腔鏡機器人被用于完成心臟外科、泌尿外科、胸外科、肝膽胰外科、胃腸外科、婦科等相關(guān)的微創(chuàng)腹腔鏡手術(shù)。當(dāng)前，國外代表性的腹腔鏡機器人有美國Intuitive Surgical公司研發(fā)生產(chǎn)的Da Vinci手術(shù)機器人、英國Freehand公司研發(fā)的FreeHand手術(shù)機器人，意大利SOFAR S.p.A公司研發(fā)的Telelap ALF-X機器人。

哈工大機器人研究所2013年研制成功的“微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)機器人系統(tǒng)”,通過了國家“863”計劃專家組的驗收，打破了進口達芬奇手術(shù)機器人的技術(shù)壟斷。博實股份是哈工大機器人研究所產(chǎn)業(yè)化基地、哈工大機器人產(chǎn)業(yè)化平臺，研究人員針對微創(chuàng)外科手術(shù)的多種術(shù)式，在手術(shù)機器人系統(tǒng)的機械設(shè)計、主從控制算法、三維（3D）腹腔鏡與系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)上都進行了重要突破，并申請了多項國家發(fā)明專利，未來計劃提供腹、胸、盆腔外科手術(shù)一攬子解決方案，覆蓋普通外科、胸外科、泌尿外科、婦科等十余個外科手術(shù)科類。

1.1.4 血管介入機器人 血管介入手術(shù)是指醫(yī)生在數(shù)字減影血管造影成像(DSA)系統(tǒng)的導(dǎo)引下，操縱導(dǎo)管在人體血管內(nèi)運動，將導(dǎo)管從病人穿刺部位送至靶血管，對病灶進行治療，達到溶解血栓、擴張狹窄血管等目的[2]。將機器人技術(shù)結(jié)合到血管介入手術(shù)中即產(chǎn)生了血管介入機器人。

血管介入機器人發(fā)展剛剛起步，其中，美國Hansen Medical公司的Sensei Xi可用于心血管介入手術(shù)，國內(nèi)北京航空航天大學(xué)和中國科學(xué)院自動化所就導(dǎo)管推進機構(gòu)、導(dǎo)管末端力反饋等方面開展相關(guān)內(nèi)容的研究，但目前還未形成產(chǎn)品。

1.2 手術(shù)機器人列為國內(nèi)高端醫(yī)療器械重點研發(fā)對象 國家高度重視高端醫(yī)療器械的國產(chǎn)化工作，明確提出要提升國產(chǎn)高端醫(yī)療的市場占有率。其中，手術(shù)機器人被列為國內(nèi)高端醫(yī)療器械重點研發(fā)對象，近年來密集出臺了多項政策來推動手術(shù)機器人的技術(shù)發(fā)展。

科技部《服務(wù)機器人科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》中，明確了重點發(fā)展公共安全機器人、醫(yī)療康復(fù)機器人、仿生機器人平臺等任務(wù)；《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》中明確將“手術(shù)機器人”列為“高端裝備創(chuàng)新發(fā)展工程”中重點發(fā)展的機器人裝備；《中國制造2025》在“生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械”重點領(lǐng)域提出要“提高醫(yī)療器械的創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)化水平，重點發(fā)展影像設(shè)備、醫(yī)用機器人等高性能診療設(shè)備”；北京市科委2015年6月發(fā)布的《北京市科學(xué)技術(shù)委員會關(guān)于促進北京市智能制造機器人科技創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化工作的意見》明確要求突破服務(wù)機器人，尤其是醫(yī)療健康服務(wù)機器人的技術(shù)瓶頸；國務(wù)院2016年3月發(fā)布的《關(guān)于促進醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出要加快醫(yī)療器械轉(zhuǎn)型升級，重點開發(fā)醫(yī)用機器人，健康檢測，遠程醫(yī)療等高性能診斷設(shè)備；工信部等部門2016年4月發(fā)布的《機器人產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中要求大力推進服務(wù)機器人在醫(yī)療、助老扶殘、康復(fù)等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用等等。

1.3 手術(shù)機器人定位精度的重要性 隨著國內(nèi)愈來愈多的企業(yè)加入到手術(shù)機器人的研發(fā)生產(chǎn)的隊伍中，手術(shù)機器人技術(shù)不斷得到提升和發(fā)展，我國手術(shù)機器人技術(shù)正在從跟跑、并跑，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轭I(lǐng)跑的狀態(tài)。

2 手術(shù)機器人定位精度檢驗現(xiàn)狀

目前，各研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)的手術(shù)機器人的定位精度的選取及檢驗方法由各企業(yè)參照工業(yè)機器人標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)外手術(shù)機器人定位精度檢驗方法并結(jié)合各自產(chǎn)品特點來確定，用于定位精度檢驗的體模大部分是各單位自己研發(fā)定制的。

3 手術(shù)機器人定位精度檢驗方法及檢驗結(jié)果

我所近年來承檢了系列手術(shù)機器人，包括：北京天智航醫(yī)療科技股份有限公司研制的骨科手術(shù)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，Mako Surgical Corporation研發(fā)生產(chǎn)的骨科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，Intuiitive Surgical公司研發(fā)的達芬奇手術(shù)機器人等等，針對北大口腔醫(yī)院、北京理工大學(xué)聯(lián)合研制的顱底及面測深區(qū)疾病精確微創(chuàng)診療機器人，本文作者參考了上述手術(shù)機器人的注冊檢測及委托檢測的產(chǎn)品技術(shù)要求（產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)）與該機器人的研發(fā)人員展開合作，共同研究建立了相關(guān)定位精度的檢驗方法，下面進行詳細介紹。

3.1 顱頜面手術(shù)導(dǎo)航機器人定位精度檢驗方法

3.1.1 機器人重復(fù)定位精度 調(diào)節(jié)固定在桌上的XYZ三軸平臺，使得平臺上的標(biāo)識點對準(zhǔn)針尖所在位置，記錄此時的平臺讀數(shù)為A0（XA0,YA0,ZA0）,軟件記錄此時機器人位姿A；將平臺調(diào)節(jié)至不妨礙機器人運動的位置；通過機器人控制系統(tǒng)控制機器人運動到空間中某特定點B,軟件記錄此時機器人位姿B；調(diào)節(jié)XYZ三軸平臺，使得標(biāo)志點仍然對準(zhǔn)針尖所在位置，記錄此時的平臺讀數(shù)為B0(XB0,YB0,ZB0)；通過控制機器人運動到A,調(diào)節(jié)固定在桌上的XYZ三軸平臺，使得平臺上的標(biāo)識點對準(zhǔn)針尖所在位置，記錄此時的平臺讀數(shù)為A1（XA1,YA1,ZA1）；通過機器人控制系統(tǒng)控制機器人運動到點B；調(diào)節(jié)XYZ三軸平臺，使得標(biāo)志點仍然對準(zhǔn)針尖所在位置，記錄此時的平臺讀數(shù)為B1(XB1,YB1,ZB1)；重復(fù)控制機器人運動到A點及B點共計20次；計算空間距離A0Ai(i=1,2…20)，B0Bi(i=1,2…20)，即為機器人重復(fù)定位誤差，每組誤差均應(yīng)小于1mm；計算平均誤差，作為機器人重復(fù)定位精度結(jié)果。

3.1.2 機器人絕對定位精度 調(diào)節(jié)固定在桌上的XYZ三軸平臺，使得平臺上的標(biāo)識點對準(zhǔn)針尖所在位置，記錄此時的平臺讀數(shù)為A（XA,YA,ZA）,記錄此時軟件上該點的空間坐標(biāo)TA（XTA,YTA,ZTA）；將平臺調(diào)節(jié)至不妨礙機器人運動的位置；通過機器人控制系統(tǒng)控制機器人運動到空間中某任意點B,記錄此時軟件上該點的空間坐標(biāo)TB（XTB,YTB,ZTB）；調(diào)節(jié)XYZ三軸平臺，使得標(biāo)志點仍然對準(zhǔn)針尖所在位置，記錄此時的平臺讀數(shù)為B(XB,YB,ZB)；計算點A與點B之間的歐幾里得距離，記為d；計算點TA與TB之間的歐幾里得距離，記為dT，則|d-dT|即為機器人系統(tǒng)的絕對定位誤差，dT應(yīng)小于1mm；變換機器人位姿，重復(fù)上述步驟共20次，每組誤差均應(yīng)小于1mm；計算平均誤差，作為機器人末端定位支架的絕對定位精度結(jié)果。

3.1.3 機器人把持精度 將穿刺末端固定在機器人的末端快速接口上；調(diào)節(jié)固定在桌上的XYZ三軸平臺，使得平臺上的標(biāo)志點對準(zhǔn)針尖所在位置，記錄此時的平臺讀數(shù)A（XA,YA,ZA）；將平臺調(diào)節(jié)到不妨礙拆卸末端的位置，將末端卸下；再次將末端安裝至機器人的末端快速接口上；重新調(diào)節(jié)XYZ平臺，使得標(biāo)志點對準(zhǔn)針尖所在位置，記錄此時的平臺讀數(shù)B（XB,YB,ZB）；兩次憑條讀數(shù)計算的歐幾里得空間距離|A-B|即為快速接口的重復(fù)定位誤差，應(yīng)小于1mm；重復(fù)上述步驟10次，每組誤差均應(yīng)小于1mm；計算平均誤差，作為機器人把持精度結(jié)果。

3.1.4 機器人導(dǎo)航定位精度 模擬手術(shù)使用情況，由于病人腫瘤位置在頭部的不同位置，將機器人運動空間按照病床橫方向分為左、中、右三個區(qū)域，每個區(qū)域跨度100mm,然后選取其中第一個區(qū)域；使用導(dǎo)航儀在該區(qū)域靠近中間位置完成機器人的空間注冊；將XYZ平臺固定在機器人下方的工作空間內(nèi)；設(shè)定XYZ平臺的一個位于所測試區(qū)域中的空間點A（XA,YA,ZA）為目標(biāo)點，用導(dǎo)航儀的手柄指向該點并設(shè)定為機器人的目標(biāo)點，然后將XYZ平臺調(diào)節(jié)至不影響機器人運動的位置；使機器人在導(dǎo)航儀引導(dǎo)下自動移動到目標(biāo)位置；調(diào)節(jié)XYZ平臺使標(biāo)志點對準(zhǔn)機器人的末端，記錄此時的平臺讀數(shù)為B（XB,YB,ZB）；計算點A與點B之間的歐幾里得空間距離，即為機器人在導(dǎo)航儀下的導(dǎo)航定位誤差，應(yīng)小于1mm；在該區(qū)域內(nèi)重復(fù)上述步驟20次（左、中、右區(qū)域分別測試6、8、6次），每組誤差均應(yīng)小于1mm；計算平均誤差，作為機器人導(dǎo)航定位精度結(jié)果。

3.2 顱頜面手術(shù)導(dǎo)航機器人定位精度檢驗結(jié)果，詳見附表。

4 展望

由于手術(shù)機器人的標(biāo)準(zhǔn)及審評指導(dǎo)原則等規(guī)范性文件的缺失，導(dǎo)致國家對手術(shù)機器人的安全及性能的監(jiān)管存在較大的風(fēng)險，為了保障人民的用械安全以及進一步推動手術(shù)機器人的行業(yè)發(fā)展，國家已啟動醫(yī)療機器人的標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建及標(biāo)準(zhǔn)的研究制定等工作。我們應(yīng)該從以下兩方面開展工作：①加強手術(shù)機器人標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè) 開展手術(shù)機器人標(biāo)準(zhǔn)體系的頂層設(shè)計，構(gòu)建和完善機器人產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，加快研究制訂產(chǎn)業(yè)急需的各項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，支持機器人評價標(biāo)準(zhǔn)的研究和驗證，積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制修訂。②建立手術(shù)機器人檢測認(rèn)證體系 建立并完善以國家手術(shù)機器人檢測與評定中心為代表的機器人檢驗與認(rèn)證機構(gòu)，推動建立機器人第三方評價和認(rèn)證體系，開展機器人整機及關(guān)鍵功能部件的檢測與認(rèn)證工作。

可以預(yù)見，不久的將來，在研究機構(gòu)、醫(yī)療機構(gòu)、指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)委員會、行業(yè)協(xié)會等機構(gòu)牽頭組織下，輔以高校、研發(fā)機構(gòu)，我國將形成一些通用標(biāo)準(zhǔn)以及臨床使用規(guī)范，明確手術(shù)機器人應(yīng)滿足的功能和安全的各項條件。