顯微手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在眼底病中的應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展

摘 要 眼科手術(shù)具有精密性高、操作空間小、學(xué)習(xí)曲線長等特點(diǎn)，對手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)要求較高。隨著機(jī)械學(xué)、生物力學(xué)及計算機(jī)學(xué)等多學(xué)科的發(fā)展，顯微手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在眼科中的應(yīng)用將越來越廣泛，可以解決人手生理性震顫、心理因素波動、長時間手術(shù)身體疲勞等生理局限，未來將大大提高眼科手術(shù)的成功率。本文就國內(nèi)外顯微手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在眼底病手術(shù)中的應(yīng)用和進(jìn)展做以綜述，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞 顯微外科；手術(shù)機(jī)器人；眼底??；光學(xué)相干斷層掃描；光纖布拉格光柵微觸覺感受器；人工智能

中圖分類號 R608 R779.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-7721（2024）02-0186-08

Current status and progress of microsurgical robotic system in fundus disease

WANG Bing， CHEN Pei， YONG Hongfang， ZHANG Hongbing

（Department of Ophthalmology， Xi’an No.1 Hospital/The First Affiliated Hospital of Northwest University， Xi’an 710002， China）

Abstract Ophthalmic surgery is characterized by high precision， small operating space and long learning curve， which has a higher requirement on robotic surgical system. With the development of mechanics， biomechanics and computer science， microsurgical robotic system has been used in various ophthalmic surgeries. It can reduce the physiological tremor of surgeons， relieve fatigue of surgeons caused by long time of operation and improve surgical stability and accuracy， which could greatly improve the success rate of surgery. The application and progress of microsurgical robotic system in eye surgery at home and abroad was reviewed， and the key technologies were analyzed in this paper.

Key words Microsurgery; Surgical Robot; Funduscopic Disease; Optical Coherence Tomography; Fiber Bragg Grating Micro-tactile Sensor; Artificial Intelligence

人類對外界事物的感知多是通過眼睛獲得的，通過眼睛學(xué)到的知識和獲得的記憶可以達(dá)到80%以上。如果視力喪失，人們會失去對外部事物的主要感知能力，造成嚴(yán)重的信息損失。目前，我國仍然是世界上失明和視覺損傷患者數(shù)量最多的國家之一，隨著我國人口老齡化進(jìn)程加快，年齡相關(guān)性眼病患病率將日益增高。目前視網(wǎng)膜脫離、黃斑裂孔等多種眼底病仍主要依靠手術(shù)治療。盡管當(dāng)前已經(jīng)應(yīng)用了最精細(xì)的27 G微創(chuàng)玻璃體切割設(shè)備和先進(jìn)的眼科手術(shù)顯微鏡[1]，但是人手的生理性震顫、情緒波動和長時間手術(shù)導(dǎo)致的疲勞，以及視網(wǎng)膜內(nèi)界膜超薄透明等因素，導(dǎo)致眼科醫(yī)生在進(jìn)行眼底病手術(shù)時，仍然不能準(zhǔn)確撕除特定的組織，并有可能對鄰近的視網(wǎng)膜組織造成損傷，導(dǎo)致術(shù)后視力恢復(fù)不理想。

眼科顯微手術(shù)機(jī)器人是集醫(yī)學(xué)、機(jī)械學(xué)、生物力學(xué)及計算機(jī)學(xué)等多學(xué)科于一體的醫(yī)療器械綜合體，能夠解決人手生理性震顫、心理因素波動、長時間手術(shù)身體疲勞、人眼觀察程度有限等生理局限，同時比人手更精準(zhǔn)靈活、創(chuàng)傷更小，顯著提高手術(shù)效果的同時還能更好地節(jié)省醫(yī)療資源，緩解醫(yī)生人手不足問題[2]。本研究對顯微手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在眼底病手術(shù)中的應(yīng)用和進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

眼科顯微手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)按照操作方式可以分為手持式、自動式和主從式。本部分對這3種操作系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡述，并著重介紹主從式操作系統(tǒng)的研究進(jìn)展。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

1.1.1 手持式操作系統(tǒng) 手持式操作系統(tǒng)的機(jī)械臂不做任何自由運(yùn)動，外科醫(yī)生在術(shù)中手持執(zhí)行器操作，這種系統(tǒng)可控性強(qiáng)，便于擁有多年臨床經(jīng)驗的醫(yī)生使用。典型的手持式眼科操作系統(tǒng)包括美國約翰霍普金斯大學(xué)研發(fā)的手持式微操作器Micron系統(tǒng)[3]和協(xié)同控制的穩(wěn)定眼科機(jī)器人（Steady-hand Eye Robot，SHER）系統(tǒng)[4]，目前二者主要用于治療視網(wǎng)膜血管性疾病。

Micron系統(tǒng)通過光學(xué)跟蹤和壓電致動器感應(yīng)抵消外界振動，末端可在1 mm×1 mm×0.5 mm的范圍內(nèi)運(yùn)動[5]，采用立體成像進(jìn)行視覺傳感以觀察血管和注藥器。在視覺控制和震顫補(bǔ)償作用下，可將最大誤差由298 μm減少至73 μm。

SHER系統(tǒng)集成于機(jī)器操作系統(tǒng)上，外科醫(yī)生和操作系統(tǒng)通過力傳感器連接，協(xié)同控制使機(jī)械臂末端平滑的跟隨人手運(yùn)動，系統(tǒng)能夠感知操作者施加在工具上的力，根據(jù)針尖檢測到的力主動引導(dǎo)操作者運(yùn)動，保證末端執(zhí)行器的運(yùn)動不受人手生理性震顫干擾，實現(xiàn)極高的運(yùn)動控制精度和力矩控制[6]。該操作系統(tǒng)主要應(yīng)用于眼底血管穿刺等以前不可能完成的手術(shù)。

目前，手持式機(jī)器人操作系統(tǒng)存在的主要問題是系統(tǒng)需借助執(zhí)行器上的力傳感器實現(xiàn)運(yùn)動控制，執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的負(fù)載會降低系統(tǒng)剛度，影響運(yùn)動精度。另一方面，為獲得穩(wěn)定的隨動運(yùn)動，通常需要過濾傳感器上同樣較小的干擾力，這會導(dǎo)致隨動操作的靈敏度顯著降低。

1.1.2 自動式操作系統(tǒng) 自動式手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)基于術(shù)前圖像進(jìn)行軌跡規(guī)劃，機(jī)械臂自動執(zhí)行規(guī)劃任務(wù)，操作者術(shù)中不干預(yù)或者極少干預(yù)。早期的自動式操作系統(tǒng)主要用于一些高精度、高重復(fù)性的手術(shù)，其操作對象與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器的操作對象同屬鋼體。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人操作系統(tǒng)獲得了更多類似人類的感知能力，視覺傳感、觸覺傳感和溫度傳感等技術(shù)使手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)更智能化、自動化地執(zhí)行更加復(fù)雜的手術(shù)操作成為可能。相對于堅硬的鋼體而言，軟組織手術(shù)更難實現(xiàn)自動化，主要因為軟組織在手術(shù)中很難固定和追蹤。

加利福尼亞大學(xué)研制的“微手”[7]屬于微型手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)，它配備了微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）。該設(shè)備模仿人手，可以通過氣動控制穩(wěn)定抓握力，用4根手指（各長4 mm）來調(diào)節(jié)卡尺的重量，并能在60 psi的壓縮空氣壓力下穩(wěn)定地對豬眼的視網(wǎng)膜組織進(jìn)行操作。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Nelson等人[8]研制了一種植入式磁性管狀微型機(jī)器人操作系統(tǒng)，用于眼后段藥物的注射和微創(chuàng)手術(shù)。用磁性材料做成大小可以裝入23號針頭的管狀微結(jié)構(gòu)，并以微創(chuàng)的方式注入眼內(nèi)，針對性地輸送濃縮藥物和氧氣，用以治療視網(wǎng)膜靜脈阻塞等眼底血管性疾病。目前，管狀微結(jié)構(gòu)已廣泛用于藥物輸送、生物傳感、微流控制和3D細(xì)胞微反應(yīng)器等領(lǐng)域。

1.1.3 主從式操作系統(tǒng) 主從式手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)的特點(diǎn)為“主手操縱，從手跟隨”，一般由操作者操縱主手端，從手端的執(zhí)行器可以在人難以接近、無法進(jìn)入或?qū)θ梭w有害的環(huán)境中模擬主手端完成復(fù)雜操作。主從式的操作方式可以使手術(shù)醫(yī)生完全掌握手術(shù)進(jìn)度，并可通過視覺反饋、觸覺反饋和聲音反饋獲得相當(dāng)?shù)牟僮鞲泻团R場感。主從式手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)主要有4種類型：弧形/球形導(dǎo)軌安裝類型、平行四邊形遠(yuǎn)程運(yùn)動中心（Remote Center of Motion，RCM）類型、Delta類型、多關(guān)節(jié)串聯(lián)型和串聯(lián)/并聯(lián)混合型[9]。加州大學(xué)洛杉磯分校的Wilson J T等人[10]研制的弧形/球形導(dǎo)軌安裝類型手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)IRISS，可同時操作多個手術(shù)器械，尖端精度為（0.205±0.003）mm，并用離體豬眼進(jìn)行了評估。Yu H R團(tuán)隊[11]在2016年設(shè)計了一種新型Delta類型的雙臂眼科手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)，手術(shù)精度高（lt;5 μm），并在動物模型中完成了血管插管和支架安裝。

除上述幾種主從式機(jī)器操作系統(tǒng)類型外，其他典型的主從式手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)還有美國Intuitive Surgical公司的達(dá)芬奇機(jī)器人操作系統(tǒng)[12]、荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)與Preceyes BV公司聯(lián)合研發(fā)的Preceyes系統(tǒng)[13]等。隨著達(dá)芬奇機(jī)器人操作系統(tǒng)的不斷升級和改進(jìn)（2000、S、Si、Si HD、X、Xi、SP等版本），該機(jī)器人系統(tǒng)先后被用于人和豬的尸眼上角膜縫合和角膜移植手術(shù)，以及臨床上羊膜移植和翼狀胬肉手術(shù)，獲得了一定成功[14]。但是由于手術(shù)操作空間和精度所限，目前的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人尚不能用于眼底手術(shù)。

荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)研究人員研發(fā)的Preceyes系統(tǒng)[13]，主手和從手各有5個關(guān)節(jié)，主手中3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線的相交點(diǎn)相當(dāng)于從手的不動點(diǎn)，從手可以模擬主手的運(yùn)動，操作直觀。從手采用雙平行四邊形不動點(diǎn)結(jié)構(gòu)，器械通過鞏膜處穿刺點(diǎn)進(jìn)入眼球內(nèi)部，并在手術(shù)操作中保持這個點(diǎn)的固定。該機(jī)器手術(shù)精度小于10 μm，醫(yī)生可以使用該機(jī)器人進(jìn)行視網(wǎng)膜下藥物注射操作、剝除黃斑前膜（61 μm）、對黃斑裂孔進(jìn)行內(nèi)界膜撕除（lt;20 μm）等操作，控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主從控制、過濾手部震顫、主從運(yùn)動增益、從主力反饋以及虛擬邊界限制等功能。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)對眼科顯微手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究較少，主要操作方式為主從式。2014年，溫州醫(yī)科大學(xué)附屬眼視光醫(yī)院的沈麗君教授聯(lián)合北京航空航天大學(xué)楊洋教授共同研發(fā)了視網(wǎng)膜血管搭橋手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，對視網(wǎng)膜表面平行運(yùn)動進(jìn)行了軌跡規(guī)劃和仿真，并基于乒乓球模型進(jìn)行了可行性分析實驗，但仍需通過動物實驗做進(jìn)一步研究[15]。2017年，該團(tuán)隊還共同研制一套輔助眼底顯微手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有5個可握持眼科常用手術(shù)器械的機(jī)械臂，醫(yī)生通過控制器操控2個機(jī)械手臂，成功完成了對15只離體豬眼的玻璃體切割和玻璃體后脫離手術(shù)[16]。但這2套操作系統(tǒng)尚處于實驗室研究階段，仍不能應(yīng)用于臨床。

北京航空航天大學(xué)鄔如靖等人[17]針對眼內(nèi)鑷進(jìn)行了微力感知研究，在標(biāo)準(zhǔn)的眼內(nèi)鑷上進(jìn)行了光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）傳感器的集成設(shè)計。在膜鑷末端的套筒上布置3根互呈120°的FBG傳感器，用以感知和測量橫向力，并在豬眼進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)其接觸力過小，且由于軸向鑷筒的剛度很大，很難精準(zhǔn)測量軸向力。

視網(wǎng)膜組織精細(xì)嬌嫩，機(jī)器人輔助操作的視網(wǎng)膜手術(shù)需要對操作點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。同為北京航空航天大學(xué)的周嘉悅等人[18]通過對比度受限的直方圖均衡算法，提取圖像中的血管進(jìn)行立體匹配，同時去除周圍背景對立體匹配的影響，最后利用雙目視覺中的視差原理，完成對眼底視網(wǎng)膜血管圖像的三維重建，實驗證實該方法可以精準(zhǔn)定位視網(wǎng)膜血管上的手術(shù)操作點(diǎn)。

綜上所述，國內(nèi)眼底病手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究起步較晚，與國外同類設(shè)備的發(fā)展水平尚有一定差距，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京理工大學(xué)等國內(nèi)許多科研院所都有從事醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)方面的研究，但距離臨床應(yīng)用還有一定距離[19]。

2 顯微手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 光學(xué)相干斷層掃描（Optical Coherence Tomography，OCT）技術(shù) OCT技術(shù)近年來迅速發(fā)展，其利用弱相干光干涉的原理，檢測不同深度生物組織對入射弱相干光的反射或散射信號，通過掃描和處理得到生物組織的二維或三維圖像（如圖1）。目前已經(jīng)從時域OCT、頻域OCT發(fā)展到第三代的掃頻光源OCT [20]。與超聲、血管造影等診斷技術(shù)相比，OCT具有分辨率高、靈敏度強(qiáng)、非接觸式、非侵入式、成像時間快等明顯優(yōu)勢，術(shù)前OCT檢測圖像可以更為清晰直觀地展現(xiàn)視網(wǎng)膜組織的橫截面圖像，可以清楚分辨黃斑裂孔，鑒別假性裂孔與板層裂孔。新近整合到眼科手術(shù)顯微鏡上的術(shù)中OCT，除了具備上述優(yōu)點(diǎn)外，還使眼科醫(yī)生在手術(shù)中可以像手術(shù)前那樣清晰地看到包括黃斑裂孔在內(nèi)的視網(wǎng)膜橫截面圖像，同時也為提高眼科顯微手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)術(shù)中分辨率提供了重要的眼部圖像數(shù)據(jù)獲取手段。

最近OCT也被用作距離傳感器以實現(xiàn)微創(chuàng)玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)中的實時觀察和控制。連接掃頻OCT的智能手術(shù)器械可以利用OCT感知距離信息，同時驅(qū)動一個補(bǔ)償性微馬達(dá)來消除術(shù)者的手部生理性震顫，提高手術(shù)的精確性，降低手術(shù)風(fēng)險[21]。但是在模擬的玻璃體視網(wǎng)膜環(huán)境下，有學(xué)者對比了醫(yī)生使用和不使用手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)操控顯微機(jī)械臂的手術(shù)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在三維移動的準(zhǔn)確性和精確性方面，手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)對缺乏經(jīng)驗的醫(yī)生有很大幫助，但是如手術(shù)深度的不可視化等諸多因素都將影響控制的成功率。因此，為了使手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的輔助功能最大化，手術(shù)過程必須清晰可視。越來越多的學(xué)者認(rèn)為將來機(jī)器人輔助眼科手術(shù)需要攝像機(jī)聯(lián)合其他一些數(shù)據(jù)源，如術(shù)中OCT圖像、系統(tǒng)末端效應(yīng)器和壓力感應(yīng)器等。

2.2 FBG微觸覺感受器 FBG微觸覺感受器是敏感的多維力傳感器，具有靈敏度高、電絕緣性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、可在惡劣環(huán)境中工作、可重復(fù)使用、粘貼數(shù)量少、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)[22]，目前已得到廣泛應(yīng)用。

韓國Song H S等人[23]研發(fā)了一套微創(chuàng)外科手術(shù)力傳感反饋系統(tǒng)，該反饋系統(tǒng)采用FBG感器對微力進(jìn)行測量。由于末端的不規(guī)則性，系統(tǒng)采用8根FBG傳感器進(jìn)行測量，其中4根用于應(yīng)變力測量，另外4根自然懸掛用于補(bǔ)償溫度帶來的影響。該團(tuán)隊還將FBG裝置在另外的微創(chuàng)手術(shù)器械上[24]，用于測量反饋力信息。將FBG嵌入微創(chuàng)手術(shù)器械末端4個梁上，器械末端受力時，4個梁發(fā)生形變，導(dǎo)致FBG波峰波長發(fā)生偏移，從而測量出梁的形變量，進(jìn)一步計算出末端器械的接觸力。該系統(tǒng)驗證了應(yīng)用FBG傳感器作為手術(shù)機(jī)器人微力傳感器的可行性與優(yōu)勢，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

He X C等人[25]在FBG基礎(chǔ)上研發(fā)了一款具有3個自由度的FBG膜鉤，實驗證實1個FBG力感受器的重復(fù)性為1.3 pm，結(jié)合橫向力的線性模型和軸向力的非線性模型，3個自由度的力傳感器可以提供亞毫牛頓（Milli-Newton，mN）的軸向力分辨率和1/4 mN的橫向力分辨率。

Gonenc B等人[26]基于FBG應(yīng)變傳感器，開發(fā)了一款感覺靈敏的眼底手術(shù)器械，用于眼底手術(shù)中各種膜的剝離。該裝置采用緊湊型機(jī)動裝置，根據(jù)線性回歸和非線性的二階伯恩斯坦多項式來計算力的改變。研究發(fā)現(xiàn)線性方法在測定橫向力方面提供了足夠的精確度，在軸向力方面的平方根誤差超過3 mN，而非線性方法可以精確地提供力的3D顯示，其橫向力誤差低于0.15 mN，而軸向力精確性在2 mN，為研制新型FBG微觸覺傳感器提供了幫助。

韓國Lee C等人[27]研發(fā)了一款智能手持式觸覺反饋手術(shù)器械，可以探測眼底手術(shù)中器械尖端與視網(wǎng)膜之間的接觸力并反饋給醫(yī)生。該器械包括探針和力傳感器兩部分，其中力傳感器部分包括3個電介質(zhì)驅(qū)動器，可以組成觸覺顯示器來分別刺激醫(yī)生的拇指、食指和中指，達(dá)到觸覺復(fù)現(xiàn)的效果，該觸覺顯示器可以為醫(yī)生提供170 μm的位移和10 Hz頻率的刺激，實驗驗證效果良好。

與此類似，美國約翰霍普金斯大學(xué)的üneri A等人[4]也研發(fā)了一款帶觸覺反饋的眼科手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)，主要用于視網(wǎng)膜顯微手術(shù)。該系統(tǒng)末端搭載了觸覺力反饋系統(tǒng)，主要依靠FBG感知二維橫向力，末端手術(shù)器械的細(xì)長軸上的FBG集成，可以有效感知手術(shù)過程中產(chǎn)生的觸覺微力。研究者采用該機(jī)器人操作系統(tǒng)進(jìn)行了雞蛋內(nèi)殼膜的剝除實驗，取得了良好的效果。

在此基礎(chǔ)上，LV C H等人[28]研制了一種新型的FBG力傳感器，該傳感器主要包括1個微型力敏曲率裝置，內(nèi)嵌含F(xiàn)BG元件的光纖以及相關(guān)的連接器和固定器。與常用的直接粘貼FBG方法相比，安裝的光纖配置在構(gòu)型的中心線兩端粘合，其兩端的緊密懸掛可實現(xiàn)更高的分辨率和靈敏度，并避免FBG出現(xiàn)故障。在0～5 N的測量范圍內(nèi)，該力傳感器的分辨率達(dá)到了2.55 mN，并在離體的豬肝壓痕試驗中得到了驗證。這種FBG構(gòu)造方式為提升手術(shù)器械觸覺靈敏度提供了新的思路。

總之，隨著眼底手術(shù)微創(chuàng)程度的不斷提高，傳統(tǒng)的FBG傳感器受限于其靈敏度和精度，不能很好地適用于眼底病手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)。理想的眼科手術(shù)操作精度要求為10 μm，因此在視網(wǎng)膜內(nèi)界膜撕除手術(shù)中，要求手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)能將內(nèi)界膜鑷與內(nèi)界膜間數(shù)毫牛的接觸力轉(zhuǎn)化為微米級的操作空間并實時反饋給操作醫(yī)生，所以研制更高靈敏度的FBG微觸覺傳感器就成為解決這一問題的基礎(chǔ)和關(guān)鍵所在。

2.3 人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)和信息技術(shù) AI理論研究成果在眼科的應(yīng)用日趨廣泛，眼部圖像精細(xì)、復(fù)雜、信息量非常大，與計算機(jī)相結(jié)合進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)的AI在眼科中的應(yīng)用極大地提高了眼科疾病尤其是眼底病的診療效率[29]。Perdomo O等人[30]將糖尿病視網(wǎng)膜病變和OCT結(jié)合，建立了針對OCT圖像的OCT-Net網(wǎng)絡(luò)，用以區(qū)分糖尿病視網(wǎng)膜病變、糖尿病性黃斑水腫及年齡相關(guān)性黃斑變性3種視網(wǎng)膜病變，經(jīng)SERI-CUHK和A2A公共數(shù)據(jù)集上的測試顯示，與傳統(tǒng)CNN相比，OCT-Net有更強(qiáng)的診斷能力。

信息技術(shù)發(fā)展和數(shù)據(jù)科學(xué)的應(yīng)用，也給臨床治療帶來了巨大變化。傳統(tǒng)的臨床治療決策是以醫(yī)生的意志為主導(dǎo)，而由于各個醫(yī)生掌握的專業(yè)知識和臨床經(jīng)驗不同，極易產(chǎn)生分歧。信息系統(tǒng)的建立可以整合其下各分支（如力學(xué)信息、圖像信息、傳感器信息等）傳遞的信息，并通過AI進(jìn)行快速智能分析，獲得一個更為客觀的決策，同時實時指導(dǎo)手術(shù)醫(yī)生的術(shù)中動作，從而將醫(yī)生之間的差異盡可能地減小，進(jìn)一步保證了醫(yī)療診治系統(tǒng)的穩(wěn)定性[31]。

2.4 手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)震顫和自由度問題研究進(jìn)展

人手的生理性震顫是一種生理局限，這種局限顯著增加了微創(chuàng)手術(shù)中醫(yī)源性視網(wǎng)膜損傷概率，影響術(shù)后視網(wǎng)膜的功能恢復(fù)。在微米級的精細(xì)操作如視網(wǎng)膜前膜和內(nèi)界膜的剝除中，生理性震顫的影響通常更加明顯。最近有研究認(rèn)為，聯(lián)合主動震顫消除，同時通過觸覺傳感器提供的力學(xué)反饋限制作用力具有一定的潛在應(yīng)用價值，使用以上方法，剝除力可以保持在7 mN以下，振動頻率可以減少2～20 Hz。為了使顯微手術(shù)器械的終端穩(wěn)定，目前已經(jīng)開發(fā)了多種“精確性增強(qiáng)”裝置，通過不同的策略，矯正錯誤移動并緩解手部震顫[32]。眼底手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械臂的自由度與其靈活性密切相關(guān)，有研究者發(fā)現(xiàn)通過手術(shù)流程分割，使用4個自由度的輸入裝置可以控制6個自由度的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。由于眼內(nèi)手術(shù)器械的運(yùn)動受到RCM限制，為了控制手術(shù)器械，2個自由度必須被簡化，因此每個部分最大的自由度將是4個自由度。Poor H A等人[33]研發(fā)了一種類似眼科臨床使用的傳統(tǒng)操縱桿，可以輔助機(jī)器人操作系統(tǒng)更好地操控眼內(nèi)操作。

2.5 柔性機(jī)器臂控制技術(shù)與手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng) 建立一個簡單但又不失精確度的柔性機(jī)械臂動力學(xué)模型是研究柔性機(jī)械臂控制的基礎(chǔ)。目前，比較常用且成熟的動力學(xué)建模理論主要有牛頓-歐拉方程、拉格朗日方程和凱恩法等。例如，李宇庭等人[34]用牛頓-歐拉法對本質(zhì)是串聯(lián)柔性機(jī)械臂的6R機(jī)器人操作系統(tǒng)建立動力學(xué)方程并對其模態(tài)進(jìn)行分析；范紀(jì)華等人[35]用拉格朗日方程對不同離散方法的柔性機(jī)器人操作系統(tǒng)分別建立動力學(xué)方程，并對比不同離散方法下的計算效率。

單一控制方法往往不能滿足高精度的柔性機(jī)械臂需求，近年來逐漸出現(xiàn)兩種或者兩種以上不同控制方法的混合控制，如模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、PID -反演控制、自適應(yīng)滑?？刂频?。Chang W等人提出了一種反演自適應(yīng)模糊滑?？刂频聂敯艨刂破鱗36]，解決了柔性機(jī)械臂系統(tǒng)中可能存在的擾動、摩擦力、建模誤差、參數(shù)不確定等因素導(dǎo)致的魯棒性差、控制精度低的問題。YANG H J等人[37]提出一種基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滑?？刂?，改善了系統(tǒng)的魯棒性，對系統(tǒng)中的模型不確定性、建模誤差和外界干擾進(jìn)行補(bǔ)償。

常用的振動抑制方法有主動振動抑制和被動振動抑制。馬天兵等人[38]提出應(yīng)用視覺測量結(jié)構(gòu)振動，并結(jié)合人工魚群算法優(yōu)化的PID進(jìn)行振動控制。李向東等人[39]提出了一種輸入整形器結(jié)合線性二次型調(diào)節(jié)器抑制柔性臂振動的新型控制策略。

之前的眼科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)多依賴于手工操作，需要人為操控機(jī)器，而無需手術(shù)醫(yī)生、通過擁有手術(shù)指令的AI引導(dǎo)的眼內(nèi)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)可能是將來的發(fā)展方向[40]。有學(xué)者通過虛擬-現(xiàn)實手術(shù)模擬器發(fā)現(xiàn)，與單純手工操作比較，機(jī)器人輔助下的玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)精確性更高，組織損傷更少[41]。最近Maberley D A L等人[42]使用Eyesi手術(shù)模擬器作為操作平臺，對比了Preceyes手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)和人工視網(wǎng)膜內(nèi)界膜剝除手術(shù)效果，發(fā)現(xiàn)人工剝除內(nèi)界膜約需5 min，手術(shù)機(jī)器人剝除約需9 min，但是使用Preceyes時眼內(nèi)器械的移動減少一半，黃斑視網(wǎng)膜出血量顯著減少，視網(wǎng)膜損傷幾乎消除。同時，該研究團(tuán)隊也認(rèn)為眼內(nèi)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)仍然處于“嬰兒期”，有必要進(jìn)行更多的驗證工作去認(rèn)識潛在的收益和新興技術(shù)的局限。

眼科顯微手術(shù)機(jī)器人操作系統(tǒng)絕大多數(shù)都使用主從形式進(jìn)行設(shè)計。操作者坐在主控臺前，根據(jù)視覺反饋操控主手，從手在控制系統(tǒng)的控制下跟隨復(fù)現(xiàn)操作者的手部動作。主控臺可以根據(jù)需要遠(yuǎn)離或者靠近手術(shù)臺。這種主從控制的方式顯著增強(qiáng)了手術(shù)操作的精確性和可靠性，更為重要的是，它可以實現(xiàn)手眼協(xié)調(diào)，增強(qiáng)手術(shù)的沉浸感和直觀感[43]。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，國內(nèi)外關(guān)于治療眼底疾病的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究已有30余年歷史，但是到現(xiàn)在僅有Preceyes機(jī)器人系統(tǒng)達(dá)到了商用標(biāo)準(zhǔn)[26]，

也只能撕除最簡單的黃斑前膜（要求突出視網(wǎng)膜表面、明顯比內(nèi)界膜厚、固定且容易辨認(rèn)），而尚無手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)做到治療黃斑裂孔所需的剝除視網(wǎng)膜最內(nèi)層菲薄透明的內(nèi)界膜。主要存在以下3個方面的問題：①目前的眼科手術(shù)機(jī)器人尚不能精確分辨視網(wǎng)膜內(nèi)界膜（厚度10 μm）；②目前的眼科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)對視網(wǎng)膜內(nèi)界膜微觸覺靈敏度有待進(jìn)一步提高；③目前的眼科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)終端器械尚不能精準(zhǔn)抓持內(nèi)界膜。隨著OCT技術(shù)的革新，尤其是術(shù)中OCT的問世，以及新型FBG材料、設(shè)計和技術(shù)的出現(xiàn)，加上AI和信息技術(shù)的顯著進(jìn)步、手術(shù)機(jī)器人操作中震顫和自由度等問題的突破，還有手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)制造水平的提升，都為解決上述問題奠定了基礎(chǔ)。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：①王昞負(fù)責(zé)設(shè)計論文框架，起草論文；②陳佩負(fù)責(zé)文獻(xiàn)檢索支持；③雍紅芳負(fù)責(zé)論文修改；④張紅兵負(fù)責(zé)擬定寫作思路，指導(dǎo)撰寫文章并最后定稿。

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編輯：張笑嫣