腹腔鏡手術機器人技術發(fā)展綜述

閆志遠 梁云雷 杜志江

（哈爾濱工業(yè)大學機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱，150080）

0 引言

腹腔鏡手術機器人是醫(yī)療機器人領域的典型代表，是全球商業(yè)化最成功的手術機器人。其具有微創(chuàng)、精細、靈活、濾抖等顯著優(yōu)勢，可以極大地擴展外科醫(yī)生的手術能力，有效解決傳統(tǒng)手術所面臨的各種問題。目前外科手術正從開放式手術經(jīng)由普通微創(chuàng)手術向機器人輔助微創(chuàng)手術的方向發(fā)展，機器人輔助微創(chuàng)外科手術是臨床的剛性需求，發(fā)展趨勢顯著，成為未來外科手術發(fā)展的必然趨勢。

微創(chuàng)手術是利用人體天生管腔或手術小孔來導入細長的醫(yī)療器械，并通過專用攝像頭幫助醫(yī)生操作醫(yī)療器械以處理解剖組織及病灶的技術[1]，具有創(chuàng)傷小、減輕患者痛苦、術后恢復快、利于提高手術質量等優(yōu)點[2]。不同于傳統(tǒng)的開放式手術——醫(yī)生需要在患者身體上切開較大切口來處理病灶，造成患者治療過程較為痛苦——微創(chuàng)手術只需要若干個10mm左右小切口即可完成治療。1987年，法國里昂醫(yī)生Mouret成功為患者實施世界第一例腹腔鏡膽囊切除手術[3]，自此，微創(chuàng)手術技術正式進入飛速發(fā)展的時代，逐漸成熟并被廣泛應用。

相比傳統(tǒng)外科手術，微創(chuàng)手術雖然有諸多好處，但也存在醫(yī)生手眼協(xié)調性較差、無法精細分離與縫合等缺陷[4]。例如，手術器械在患者開孔處產(chǎn)生的杠桿運動導致醫(yī)生操作不靈活，而且手部的抖動也會造成器械末端動作不準確，醫(yī)生不能直觀觀察病灶動態(tài)，長時間操作手術器械易產(chǎn)生疲勞等等。隨著機器人技術的發(fā)展，醫(yī)療機器人技術逐漸融入到微創(chuàng)手術當中，其憑借操作精準、靈活性強等優(yōu)點，成功解決了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術的弊端，成為當前醫(yī)學、機械、圖像學、力學等領域的研究熱點。

本文詳細介紹國內(nèi)外腹腔鏡手術機器人的主要研究成果，并對腹腔鏡手術機器人的結構設計、運動路徑規(guī)劃、醫(yī)學三維立體圖像等技術進行分析，最后討論其未來發(fā)展方向。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，隨著機器人技術的不斷發(fā)展，世界各國廣泛開展醫(yī)療機器人的研究，目前已有多家研究院所和公司推出了產(chǎn)品樣機，并進行相應的動物試驗及臨床試驗，其中部分研究成果已成功投入市場應用，實現(xiàn)商業(yè)化。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

1.1.1 AESOP系列微創(chuàng)手術機器人

1994年，美國Computer Motion公司研制出著名的微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)AESOP（見圖1），成為全球首個獲得FDA（美國食品藥品監(jiān)督管理局）注冊的微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)[5-6]。

AESOP主要通過一條具有7個自由度的機械手臂來代替醫(yī)護人員控制內(nèi)窺鏡，輔助醫(yī)生完成手術，并有效解決了人手抖動所造成腔內(nèi)圖像不穩(wěn)的問題，降低了手術中醫(yī)護人員的工作強度。同時，AESOP可依靠語音指令實現(xiàn)醫(yī)生對機械臂的控制，并隨著語音識別技術的發(fā)展，其自身語音識別功能被不斷完善。該公司分別于1996年和1998年研發(fā)出AESOP 2000[7]和AESOP 3000[8]手術機器人。優(yōu)化后的AESOP機器人不僅提高了語音識別的準確性，還提高了微創(chuàng)手術操作的靈活性和安全性。

圖1 AESOP微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)

1.1.2 ZEUS腹腔鏡手術機器人

1998年，Computer Motion公司根據(jù)AESOP系列機器人的研發(fā)經(jīng)驗，成功研制出新一代腹腔鏡手術機器人系統(tǒng)ZEUS（見圖2）。ZEUS是第一代真正實現(xiàn)主從遙操作的手術機器人系統(tǒng)[9]。

ZEUS主要包括兩部分：醫(yī)生操作控制臺和機械臂執(zhí)行系統(tǒng)。機械臂執(zhí)行系統(tǒng)包括2條7個自由度的器械臂、1條持鏡臂和一個手術床，3條機器臂均集成在手術床上；醫(yī)生操作控制臺包括兩個主手和若干腳踏開關，醫(yī)生通過操控兩個主手和腳踏開關來控制手術床上的3條機械臂進行微創(chuàng)手術[10-11]。

ZEUS通過多例動物試驗和人體膽囊切除試驗證明了主從遙操作手術的可行性，其中最為著名的“林白手術”就是運用該系統(tǒng)順利完成的[12]。該系統(tǒng)的優(yōu)點是：不僅消除了內(nèi)窺鏡抖動問題，還解決了醫(yī)生手術時的手部抖動問題，使微創(chuàng)手術操作更加精準，有效降低了醫(yī)生的疲勞度。

圖2 ZEUS腹腔鏡手術機器人系統(tǒng)

1.1.3 Da Vinci外科手術機器人

2001年，美國Intuitive Surgical公司研制出Da Vinci（達芬奇）外科手術機器人系統(tǒng)（見圖3），并獲得FDA認證[13]。

Da Vinci系統(tǒng)也采用主從遙操作模式來控制機械臂運動，主要包括醫(yī)生控制臺、床旁機械臂系統(tǒng)及手術器械、腔鏡圖像系統(tǒng)。不同于ZEUS機器人的機械臂與手術床一體的模式，Da Vinci的機械臂安裝在移動平臺上，該移動平臺與手術床分離，并且裝有可移動輪子，醫(yī)生可根據(jù)不同手術空間安排其?？吭谑中g床旁邊，從而增大機器臂的工作空間。

該床旁機械臂系統(tǒng)包含3條器械臂和1條持鏡臂，每條機械臂都具有7個自由度，其中4個被動自由度用于術前擺位，3個主動自由度用于手術操作。醫(yī)生控制臺集成主操作手、控制腳踏和三維立體視覺腔鏡顯示系統(tǒng)，醫(yī)生可通過控制腳踏開關與主操作手實現(xiàn)對機械臂的控制，進而完成手術[14]。

圖3 Da Vinci外科手術機器人系統(tǒng)

Da Vinci是目前世界上最為成功的臨床外科手術機器人系統(tǒng)，可為醫(yī)生提供與傳統(tǒng)開放式手術同樣的直觀術野和手術操作范圍，同時具備濾除醫(yī)生手部抖動、降低醫(yī)生疲勞度的能力。截至目前，該系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)已完成超過200萬例手術，而最新一代Da Vinci Xi系統(tǒng)則進一步優(yōu)化了Da Vinci的核心功能，提升了機械臂的靈活性，可覆蓋更廣的手術部位。

1.1.4 RAVEN外科手術機器人

美國華盛頓大學開發(fā)的新一代小型微創(chuàng)外科手術機器人系統(tǒng)為RAVEN（見圖4）[15]，該系統(tǒng)同樣采用主從遙操作控制方式，由2條手術器械臂和1條持鏡臂組成，每條器械臂具有7個自由度，分別包括5個旋轉關節(jié)、1個移動關節(jié)和1個夾持關節(jié)。與Da Vinci外科手術機器人相比，RAVEN具有體積小巧、重量輕等優(yōu)點。

在上一代RAVEN的基礎上，該研發(fā)團隊于近年又推出了RAVEN-Ⅱ手術機器人。該機器人基于開源Linux系統(tǒng)軟件開發(fā)，最多可同時支持4條機械臂協(xié)同操作。

圖4 RAVEN微創(chuàng)手術機器人

1.1.5 Robin Heart系列微創(chuàng)外科手術機器人

波蘭羅茲理工大學在“波蘭心臟外科機器人項目”的支持下，相繼開發(fā)出類似Da Vinci系統(tǒng)的微創(chuàng)外科手術機器人系統(tǒng)，包括Robin Heart 0、Robin Heart 1、Robin Heart 3[16]。該系列機器人操作臂較Da Vinci系統(tǒng)簡單，但靈活性和可操作性存在一定差距。

圖5 Robin Heart 3機器人手術場景

1.1.6 MiroSurge微創(chuàng)手術機器人

德國宇航中心利用其在輕型臂研究方面的優(yōu)勢，開發(fā)出一款輕型臂微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)MiroSurge[17]（見圖6）。該手術機器人采用類似ZEUS系統(tǒng)的結構類型，將2條器械臂和一條持鏡臂均安裝在手術床上，便于實現(xiàn)多機械臂的空間位姿標定；機械臂依然采用主從控制方式，在機械臂關節(jié)處裝有力傳感器，能夠實時檢測關節(jié)處的力矩信息，便于實現(xiàn)機械臂的柔順控制及術前擺位規(guī)劃。

圖6 德國輕型臂微創(chuàng)手術機器人

1.1.7 Revo-i腹腔鏡手術機器人

2017年，韓國Meere公司發(fā)布一款類似Da Vinci的腹腔鏡手術機器人Revo-i（見圖7），并獲得韓國醫(yī)療主管部門 MFDS（Korea’s Ministry of Food and Drug Safety） 批準上市。

REVO-i與Da Vinci極為相近，但手術器械直徑比Da Vinci略小一些，主控制臺采用帶有雙目鏡筒的封閉式布置方式，從端執(zhí)行機構由3條夾持手術器械的機械臂以及1條裝有內(nèi)窺鏡的機械臂構成。

圖7 Revo-i腹腔鏡手術機器人系統(tǒng)

1.1.8 Hugo RAS手術機器人

模塊化機械臂組合是近年腹腔鏡手術機器人研發(fā)的重點方向。2019年9月，美國美敦力公司宣布其新一代手術機器人系統(tǒng)Hugo RAS（見圖8）研發(fā)成功，該系統(tǒng)包括手術塔、控制臺、手術臂和機械手推車，最大特點是其為一個模塊化系統(tǒng)，即有多個獨立組件，可以適應特定患者或醫(yī)院病床的需求，并且可以隨著技術的發(fā)展而升級。Hugo RAS另一特點是配有4個裝在推車上的手術臂，這讓其具有極大的靈活性。

圖8 Hugo RAS手術機器人

1.1.9 Versius手術機器人

2019年3月，英國CMR Surgical公司研發(fā)的Versius系統(tǒng)（見圖9）獲得歐盟CE認證。其機械臂具有9個自由度，包含3個器械姿態(tài)自由度，另外6個自由度可通過不動點完成對末端位置的控制。

圖9 Versius手術機器人

1.1.10 Senhance微創(chuàng)手術機器人

2018年10月，美國醫(yī)療設備廠商TransEnterix宣布旗下微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)Senhance（見圖10）獲得歐盟CE認證。該機器人系統(tǒng)已于2017年10月獲得美國FDA認證。

圖10 Senhance手術機器人

Senhance系統(tǒng)內(nèi)置的光學傳感器可輔助外科醫(yī)生移動攝像頭（通過一副眼鏡和匹配的三維監(jiān)控能力實現(xiàn)），并通過醫(yī)生眼球運動來選擇指令（相機系統(tǒng)能跟隨醫(yī)生眼睛的移動而移動聚焦視野），同時提供觸覺反饋，從而在手術過程中根據(jù)儀器的壓力和張力而帶來觸覺和感覺，極大方便醫(yī)生觀察手術視野過程的靈活性和敏捷性。

1.1.11 Avatera腹腔鏡微創(chuàng)手術機器人

德國Avatera Medical公司將3D視野與AR技術相結合，研發(fā)出腹腔鏡微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)Avatera（見圖11），該機器人系統(tǒng)于2019年獲得歐盟CE認證。

Avatera系統(tǒng)主控制臺采用雙目鏡筒型結構布置方式，從端執(zhí)行機構由固定在移動臺車上的4條輕質串聯(lián)機械臂構成，手術系統(tǒng)采用德國圖賓根科技公司基于RADIUS技術研制的直徑為5mm的非手腕型器械。

圖11 Avatera手術機器人

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在腹腔鏡手術機器人研究方面，我國雖然起步較晚，但在眾多高校、研究院所和公司的共同努力下，也取得了一定的研究成果。

1.2.1 “妙手S”腹腔微創(chuàng)手術機器人

2005年，天津大學、南開大學與天津醫(yī)科大學總醫(yī)院聯(lián)合研制出“妙手S”腹腔微創(chuàng)手術機器人（見圖12）。該機器人依然采用主從控制方式，主從控制具有可調節(jié)比例功能，可以完成直徑1mm以下的微細血管的剝離、剪切、縫合和打結等手術操作[18-19]。

圖12 “妙手S”腹腔微創(chuàng)手術機器人

“妙手S”機器人包括主操作手、機械臂系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和手術器械。其中，主操作手采用美國SensAble公司研發(fā)的Phantom Desktop(串聯(lián)力反饋設備)，具有三維力反饋功能，并可通過自身機械結構實現(xiàn)重力平衡。

1.2.2 哈工大微創(chuàng)手術機器人

2007年，哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所聯(lián)合南開大學、中國人民解放軍總醫(yī)院，研制出腹腔鏡手術機器人系統(tǒng)[20]（見圖13）。該系統(tǒng)包括醫(yī)生控制臺、手術輔助系統(tǒng)及手術執(zhí)行機構，其中手術執(zhí)行機構包括機械臂系統(tǒng)及手術微器械；醫(yī)生控制臺與Da Vinci系統(tǒng)控制臺相似，包含主操作手、高清三維立體視覺顯示系統(tǒng)、腳踏及功能控制面板；手術輔助系統(tǒng)主要包括3D成像設備、能量儀器、氣腹機等。

經(jīng)試驗證明，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)抓取、縫合及打結等手術操作，具有較好的靈活性且操作空間范圍較大，三維視覺可將患者腔內(nèi)影像放大10倍以上，突破了人眼的觀察極限，極大提高了手術的安全性和可靠性。

圖13 哈工大微創(chuàng)手術機器人

1.2.3 蘇州康多腹腔鏡手術機器人

蘇州康多機器人有限公司研制成功多款腹腔鏡手術機器人，這些產(chǎn)品具有微創(chuàng)、精細、靈活、濾抖等顯著優(yōu)勢，采用開放式觀察的模式，機械臂系統(tǒng)擺位靈活，可以極大地擴展外科醫(yī)生的手術能力，有效解決傳統(tǒng)手術所面臨的各種問題，這些機器人產(chǎn)品目前處于臨床試驗階段。

此外，該公司研究團隊率先在國內(nèi)進行了5G遠程手術研究，自2018年12月陸續(xù)開展了幾次5G遠程機器人手術動物實驗。實驗顯示，術中機器人高清3D影像及聲音傳輸即時、穩(wěn)定，床旁機械臂操作平順、靈活，主從跟蹤性好，無誤操作產(chǎn)生，主從映射模型正確；移動執(zhí)行器末端運動指令到機器人臂末端運動平均延誤時間小于150ms，為實現(xiàn)更復雜的外科手術創(chuàng)造了可行性。

圖14 蘇州康多腹腔鏡手術機器人

1.2.4 上海圖邁腹腔鏡手術機器人

2014年，上海微創(chuàng)醫(yī)療器械（集團）有限公司研發(fā)了一款腹腔鏡手術機器人，該產(chǎn)品被命名為“圖邁內(nèi)窺鏡手術系統(tǒng)”，其由患者手術平臺、圖像臺車、醫(yī)生控制臺3部分組成，可用于輔助完成腹腔鏡微創(chuàng)外科手術，特別是針對以開放術式或常規(guī)腹腔鏡術式完成較為困難的高難度復雜手術。

圖15 圖邁腹腔鏡手術機器人

此外，國內(nèi)近年涌現(xiàn)出多家腹腔鏡手術機器人研發(fā)團隊，如北京術銳技術有限公司、重慶博恩思醫(yī)學機器人有限公司、重慶金山科技有限公司、杭州術創(chuàng)機器人有限公司等，另如深圳市精鋒醫(yī)療科技有限公司、淄博科智星機器人有限公司等也在開展相關技術的研究工作。

2 關鍵技術分析

微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)的研究涉及醫(yī)學、機器人學、計算機技術等眾多學科領域，具體包括機器人結構設計、機械臂運動軌跡規(guī)劃、醫(yī)學三維圖像建模技術和虛擬手術系統(tǒng)仿真技術等方面。

2.1 結構設計

手術機器人的結構設計是醫(yī)療機器人的關鍵技術之一，不僅要滿足微創(chuàng)手術的手術特點，還要保障患者術中安全。目前主流的商用手術機器人采用的是主從控制方式，包括機械臂系統(tǒng)和控制臺兩部分，其中機械臂系統(tǒng)主要采用遠心點運動機構、插入點處機器人主動控制和被動式關節(jié)結構3種方式實現(xiàn)機器人的定點運動；控制臺主要采用串聯(lián)結構，以及具有7個自由度的主操作手結構來實現(xiàn)從臂的靈活控制。

遠心點運動機構是整個腹腔鏡手術機器人系統(tǒng)的核心機構，可實現(xiàn)術中微器械繞患者腹壁創(chuàng)口的遠心點運動，主要包括被動機構、冗余自由度機構、圓弧導軌機構、球面機構及復合平行四邊形機構。在這幾種典型的遠心點結構中，被動機構和冗余自由度機構在實現(xiàn)時需要較為復雜的控制算法；圓弧導軌機構及球面機構對加工精度的要求較高，且占用較大的術中空間；復合平行四邊形機構由多個平行四邊形機構組裝而成，對桿件的加工及裝配精度要求較高。

目前，常用于微創(chuàng)手術機器人臂系統(tǒng)的遠心點機構主要有球面運動機構、圓弧導軌機構及復合平行四邊形機構。此外，許多研究人員對這幾種機構進行優(yōu)化后加以應用，如在球面機構的基礎上研制出雙連桿支撐的球面機構[21]。

截至目前，雖然微創(chuàng)手術機器人已被廣泛應用，但仍然存在體積龐大，操作復雜等弊端，遠心點機構的實現(xiàn)方式是腹腔鏡外科手術機器人設計的關鍵，如何在保證良好的實用性的基礎上，設計出體積更小巧輕便，操控更靈活的腹腔鏡手術機器人系統(tǒng)是未來發(fā)展方向之一。

2.2 運動控制

目前，主流手術機器人采用主從異構的模式進行手術操作，為保證手術安全、提高手術效率，事先需要對機器人進行運動軌跡規(guī)劃。機器人主操作手與機械臂運動學模型的差異導致主從運動空間不一致，這種典型的異構系統(tǒng)不能在關節(jié)空間內(nèi)實現(xiàn)主從的運動映射，需要在笛卡爾空間內(nèi)對其進行運動軌跡規(guī)劃[22]來實現(xiàn)主從跟隨性，保證主從位姿的一致性。笛卡爾空間軌跡規(guī)劃較為直觀，易于理解，但是涉及大量的笛卡爾空間和關節(jié)空間的轉換，導致計算量較大，實施控制性能相對較弱。

此外，機器人主從軌跡跟蹤是基于主手的絕對位置進行的，然而由于主手和器械末端工作空間的大小不同，醫(yī)生為了獲取舒適的操作空間，需頻繁切換主手的位置，這種切換所帶來的器械末端劇烈的跟隨運動可能會引起嚴重的手術事故。因此，在微創(chuàng)手術中，在保持手術操作靈活、精準、安全的前提下，如何提高機器人主從軌跡跟蹤的實時性及跟隨性是未來研究的關鍵技術之一。

3 未來展望

從傳統(tǒng)開放性手術到微創(chuàng)外科手術，再到如今商用化的腹腔鏡手術機器人，醫(yī)療手術方式始終在不斷演變進化中，手術機器人憑借準確性、可靠性、精確性等優(yōu)勢得到廣泛應用。未來，腹腔鏡手術機器人將會設計得更加小巧，具有更高的安全性、穩(wěn)定性和更優(yōu)異的操作性能，以滿足更多復雜環(huán)境下手術的需求。

隨著計算機技術和醫(yī)學成像技術的發(fā)展，手術機器人可以利用圖像信息為醫(yī)生進行手術導航和定位，并為手術方案的制定提供直觀的信息，有利于醫(yī)生實時掌握主從控制映射的狀態(tài)，實現(xiàn)機器人在手術中的定位導航功能。另外，虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）技術發(fā)展迅速，而且與手術機器人導航、培訓等方面的結合日益緊密，成為重要交叉研究方向之一。因此，腹腔鏡手術機器人系統(tǒng)與AI（人工智能）、VR、AR等高技術模塊相結合，必會為手術機器人技術帶來更大的發(fā)展。