医用外科机器人应用和研究进展

桂海军 综述 张诗雷 沈国芳 审校

医用外科机器人应用和研究进展

桂海军 综述 张诗雷 沈国芳 审校

机器人技术的发展推动外科手术模式产生革命性的变化，目前研究主要集中于脑神经外科、整形外科、骨科等领域，已显示出良好的社会和经济价值。为促进我国医用外科机器人技术的研究和发展，结合国内外典型外科手术机器人的研究和应用状况，就外科机器人所涉及的手术机器人系统结构和发展前景进行综述。

医用机器人 计算机辅助手术 远程手术 图像处理

自1959年“机器人之父”Joe Engelberger研制出世界上第一台工业机器人以来[1]，机器人历经半个世纪的发展，已经在工业、农业、航天、军事、家庭、服务等各领域得以广泛应用并展现巨大的社会及经济价值[2]。为了解决传统外科手术存在的精度不足、切口较大、辐射较多、操作疲劳等问题，人们开始探讨如何将机器人技术引入外科手术领域，借助机器人、传感器、控制器等技术的自身优势，为外科医生提供全新的方法及系统，以解决上述问题，改善手术效果。

1 外科机器人系统结构概述

医用外科手术机器人系统，其系统构架遵循建模、规划和执行3个原则。建模阶段完成图像采集、处理和分析，规划阶段确定手术方案，执行阶段是借助手动或自动化器械及设备辅助医生实现手术方案。医用外科手术机器人系统整合了智能器械（机器人）与自动控制技术，能够以成像设备和传感器等为工具，直接或者间接地引导操作实现手术微创。

1.1 辅助规划导航子系统

随着图像学技术、计算机技术的发展，人们开始能够利用二维影像重构三维图像，重构的三维图像和手术器械跟踪技术相结合，形成了计算机辅助规划导航系统。这类系统通常用于术前规划模拟和术中导航，不直接参与手术操作，具有极好的安全性，被医生普遍接受，目前已广泛用于临床，并形成产品。基于CT数据进行三维重建的技术出现于上世纪70年代。Vannier等[3]进行了相关的大量的研究，将患者术前的数字化扫描信息传输到计算机工作站，经过三维重建，图像配准和融合等，在此基础上进行术前计划并模拟手术。1987年，Kelly等[4]开发了一套机器人辅助神经外科手术的系统，即Mayo Clinic System。该系统将CT、MRI及DSA结合，通过对肿瘤的三维重建来对目标进行计算，并对439名患者进行了447次的立体定向穿刺活检。Vannier和Kelly等利用CT/MRI/DSA信息进行三维重组和图像引导辅助手术规划和模拟的工作具有一定的开创意义。目前的计算机辅助规划导航系统主要有两种：一是基于机械臂定位仪的系统，典型代表是加拿大ISG公司推出的观察棒Viewing Wand[5]，该系统就是基于CT图像和机械臂进行手术干预的。该系统采用了基于解剖学特征的图像空间和手术空间的映射方法，在器械跟踪上开发了一个专用的多关节“数字式”机械臂，在常规应用中，该系统的典型精度为2～3 mm，在无框架立体定位活检中，精度可达1 mm。在发达国家，Viewing Wand已获得较为广泛的临床应用,它对于组织活检、手术引导、肿瘤的定位和切除等具有重要的意义；二是基于光学定位仪的系统，目前最常用的是红外线视觉跟踪系统，典型代表是史塞克公司的Stryker-Leibinger导航系统[6]，该系统采用了基于标记点的图像空间和手术空间的映射方法，标记点在手术前被置于病人身上，在器械跟踪上采用红外光学跟踪机制，将示踪器置于骨或手术器械，另一个重要组件是带有光学传感器的相机，它可以接受来自示踪器的红外线信号，然后经过三角测量，获得示踪器的相对空间位置。

国内也报道了基于CT的三维手术仿真平台的建立，2005年上海交通大学和上海第二医科大学合作开发的三维手术仿真平台可以进行牙颌面畸形的诊断，术前预测及模拟，从而使正颌外科手术更为精确[7]。2003年，第四军医大学的龚振宇等[8]用螺旋CT数据资料建立起颅面三维模型，并进行了整形手术的计算机辅助设计，为颅颌面畸形损伤肿瘤的诊断和治疗提供了重要依据。

1.2 辅助操作子系统

目前导航系统已经在临床广泛使用，其导航精度可达到0.3 mm级别，而由于手术操作中人为及工具操作误差的存在，实际操作中难以完全实现导航效果。辅助操作子系统主要是针对这样的问题，利用机器人操作精度高的特点来实现提高手术质量的目的。辅助操作子系统的代表是用于无水泥全关节置换手术的机器人辅助系统，系统的结构主要由辅助规划系统、辅助操作机器人和安全检测系统3部分组成。根据辅助操作机器人自动化的程度，外科机器人辅助操作子系统可大致分为3类：①自主系统，即机器人根据预设的程序执行手术操作或通过编程独立完成操作，典型代表是RoboDoc机器人系统。基于输入的数据和程序，RoboDoc可以进行手术规划，并且使用专门的钻头完成骨骼处理。②主从（远程手术）系统，通过设计人机交互界面，机器人辅助操作系统执行术中术者的操作指令，典型代表是ZEUS机器人系统，通过设计主从手，医生操作主手手柄，并通过控制台上的显示器观看由内窥镜拍摄到的病人体内情况，从手由两个机械臂和一个控制内窥镜的机械臂组成。遥操作系统是将术者的操作信息数据化后，通过网络传输，实现远程操控机器人执行手术操作。③被动系统，非自动化设计，仅传递术者的手部动作，目前仅应用于常规手术中，典型代表是瑞士推出的Medvision系统[9]，医生利用该系统进行全膝关节置换术时，无需术中CT等影像学导航，术者在直视下操作机械臂进行操作，具有较好的灵活性和安全性。

2 外科机器人技术发展历程概述

2.1 基于工业机器人平台的外科机器人技术

早期的外科机器人系统大都采用工业机器人平台。1985年，Kwoh等[10]报道了第一例医用机器人，该小组利用Puma 200工业机器人完成了脑部肿物活组织穿刺中探针的导向定位，结果显示机器人操作不仅明显快于手动调试操作，且使穿刺定位精确度得以明显提高。1989年，英国的皇家学院机器人技术中心利用实验室改进的6自由度Puma机器人顺利实施了前列腺切除术，手术时间比传统手术时间明显缩短[11]。CASPAR（计算机辅助手术规划和机器人系统）是一个类似的系统，它采用的是Stabuli RX 90工业机器人，可以进行全髂或全膝关节置换术中的骨骼磨削和前交叉韧带重建术的隧道入点定位，磨削精度可达0.1 mm[12]。

国内学者在医用机器人方面也进行了相关的研究。自1995年起，北京航天航空大学和解放军海军总医院合作开发了基于虚拟现实的机器人辅助神经外科系统，并于1997年联合研制了第一代基于Puma 262工业机器人的脑外科机器人辅助定位系统CRAS[13]，并成功开展了临床应用，填补了我国医用机器人研究的空白，目前该系统已开发到第五代[14-15]，手术的自动化程度、精确度、安全性都得到显著改善。该系统于2005年取得了神经外科机器人系统的临床许可证，并进入了北京市的医保项目。目前，该系统已经推广到20多家医院，成功完成了5 000多例神经外科立体定向临床手术。2002年，哈尔滨工业大学研制了基于Motoman工业机器人的骨折手术治疗机器人试验平台[16]。这些研究和应用大大促进了我国医用机器人事业的建立和发展，丰富了外科手术的治疗理念和手段。但是，这些工作大都是基于工业机器人平台，由于机器人设计之初的理念及作用不同，应用于临床还是存在很大的限制。

2.2 专用外科机器人技术

专用外科机器人出现于上世纪80年代后期。1987年，美国ISS公司推出了NeuroMate机器人系统，采用机械臂和立体定位架来完成神经外科立体定向手术中的导向定位，并于1999年推出了无框架版本，大大减轻了手术创伤[16-18]，获得了美国FDA的认证。1988年，加利福尼亚大学的Davis和MB公司合作，将SCARA机器人进行改进，在末端操作器上装配钻头和6自由度压力传感器来进行切削和调校，通过视觉系统保证切削手术的安全性[19-20]，开发出第一台可用于髂骨置换手术的机器人。1991年，研制了第一台用于临床切除甲状腺的机器人Probot[21]，随后Harris等[22]改进开发出甲状腺切除专用外科机器人系统。同年，ISS公司推出了全球第一个骨科手术机器人产品，即著名的RoboDoc，是一种主动式机器人系统，包括一台用于术前规划的计算机和1台安装抓持、切削装置的5轴机械臂，以及一个机器人操控平台，通过编程独立完成操作。基于输入的数据和程序，RoboDoc可以进行手术规划，自动使用专门的钻头完成骨骼处理，1992年7月该系统完成了第1例全髋置换手术[23]。1994年，Computer Motion公司研究第一种用于微创手术的医用机器人：内镜自动定位系统—伊索，这是一种能由手术医师声控的“扶镜”电子机械手[24]，并于1997年3月在比利时布鲁斯尔St Pierre医院完成了第一例腹腔镜胆囊切除术。目前，已经商业化并被FDA批准应用于外科手术的机器人系统主要有伊索系统、宙斯系统、达芬奇系统，后两者是远程操作外科机器人。

国内在2000年由海军总医院成功研制出第一台用于脑外科手术的被动机器人[25]，并对患者进行了手术。手术时，首先是定靶（通过扫描将CT扫描图像输入计算机，屏幕即可显示患者病灶的三维图像）；其次是定标（在计算机上锁定病灶，制订手术方案，设定手术空间，并由机器人模拟空间匹配）；最后实施手术。在随后的研究中又陆续开发了主动式脑外科机械臂[26]，有效提高了手术可操作性和精度。2004年，香港中文大学研发生产了第一台手术导航机械臂的样机[27]，并应用于临床，准确完成了骨科手术中最常用的操作，在导航监控下钻孔上螺钉。目前，已将该导航臂应用于骨盆骨折的髂骨经皮螺钉固定、骶骨螺钉固定、股骨颈空心螺钉及髓内钉远端交锁等手术，并取得了成功。为更好辅助医生完成显微外科手术，2006年天津大学成功研制主从异构显微外科手术机器人系统“妙手（MicroHand）”系统[28]。“妙手”系统的主手为商业化具有力反馈功能的Phantom Desktop主手，从手为自主开发的针对显微外科血管缝合而设计的[29]，实现了显微外科的精确操作。

2.3 小型模块化外科机器人技术

进入21世纪，受微创外科的影响，医用外科机器人出现小型化、模块化甚至可人体安装化的趋势。微型模块化机器人首先被应用于协助改进传统的内窥镜检查。1999年，Dario等[30]利用半自动化的微型机器人改进了常规结肠镜检查术，结果显示该技术不仅使结肠镜检查更可靠，也为其在腔内诊断、治疗领域的应用提供了参考。2001年，Mazor公司推出了小型并联的脊柱外科机器人SpineAssist[31]，高度不足70 mm，质量不过200 g，可直接安装在骨骼上，显著提高了脊柱手术中的椎弓根螺钉与椎板关节突螺钉安置的定位精度和稳定性[32-33]，该系统已经获得了FDA认证。2002年，德国学者开发了心脏手术辅助机器人Cargo Model[34]，实现了在密闭胸腔内将术区的手术器械、组织以及血管等安放到术者期望的位置，该系统作为常规心脏微创手术机器人的辅助装置，为术者提供了更优化的手术入路和操作空间。2004年，Praxim Medivision公司研制了用于全膝置换的骨骼磨削小型机器人Praxiteles[35]，也可直接安装于骨骼上。同年，日本东京大学研制了5自由度小型链式机器人，用于前交叉韧带重建手术中的隧道钻孔[36]。2005年，Wolf等[37-38]先后研制了可以安装在骨骼上的脊椎手术辅助机器人和用于关节成形时骨切削的MBARS小型并联机器人。同年，Pstronik等[39]研制了可安装于心包膜下的机器人HeartLander，该系统经由剑突下切口入路，依附于心外膜，在医生的操作下为搏动中的心脏心包内手术提供导航。相对于传统的机器人心脏手术技术，这种新模式可避免心脏固定，消除准入限制。此外，它对肺通气紧缩和通气差别无要求，从而使心脏手术门诊化成为可能。在最新的研究中，匹兹堡大学利用HeartLander机器人实现了在搏动的心脏上的心外膜注射，为促进心衰患者微创细胞移植治疗提供了重要参考[40]。

国内从2002年开始，北京航天航空大学联合哈尔滨工业大学、北京积水潭医院等单位，在国家863计划资助下开展了微创骨科手术系统的研究工作。针对传统方法中存在的手术精度、X线损伤等问题，成功开发了小型模块化骨科机器人系统，从模块化角度出发，针对临床需求，巧妙地把C型臂、图像采集、机器人和导航结合在一起，设计了并联结构。这种结构非常紧凑，机器人的运动也不会对患者造成任何伤害，非常适合临床使用[41]。该系统至今已完成61例临床手术，手术成功率100%。2003年，上海交通大学开发出用于肠腔检查的微型内窥镜机器人[42]，并在随后的研究中进行改进，于2005年开发出的蚯蚓式贴壁爬行机器人[43]和2008年开发出的无线模块[44]，使机器人在腔内的探测和图像传输更加实时逼真。为解决全膝置换手术中夹具种类繁多、操作繁琐、股骨力学难以确定等问题，2004年上海交通大学与上海第二医科大学合作，设计了一套新型的适用于全膝置换手术的组装夹具，包括一个7自由度的可调式的支撑臂以及一套5自由度的伺服电机驱动机械臂,通过骨夹将病人的患肢与机械臂及支撑等手术器械刚性连接起来[45]，该系统小巧紧凑的机械结构使手术操作更加灵活便利。在腹腔镜微创手术机器人方面，天津大学与巴黎第六大学合作研制出微创手术机器人MC2E系统[46]，该系统具有4自由度，可直接安装在人体上方，并有力反馈装置，目前已进行动物（猪）心脏实验。2007年至2009年，清华大学、华中科技大学、东南大学等在微创血管支架数字化设计与制造、心血管介入微器械、软组织穿刺等方面也展开了相关研究工作[47-48]。

2.4 虚拟临场手术机器人技术

虚拟临场外科是在机器人远程操作技术的基础上发展起来的，虚拟临场手术机器人技术是机器人辅助外科手术系统与虚拟现实技术（Virtual Reality）相结合的辅助外科技术。手术由术者在异地通过远程操作系统控制手术现场的机器人完成。1993年，意大利米兰机器人实验室成功进行了世界上第一例远程手术试验。意大利医生在美国JPL实验室通过IBM SCARA 7565机器人远程手术系统对位于意大利米兰的猪组织器官进行了异地组织切片检查手术。两地相距数千公里，术中信号传送通过卫星和光纤网络进行[49]。1996年诞生了世界上首个远程手术工作站,可允许医生在异地通过微波通讯来完成可移动部队医院（Mobile army surgical hospital，MASH）的手术。目前典型的虚拟临场手术机器人系统就是宙斯系统和达芬奇系统。宙斯系统拥有一个远程的手术医师主控制台以及三个机械臂，其中两个用来代替术者手臂，另一个是“伊索”系统机械臂，著名的“林白”手术[50]就是由宙斯系统完成的。2001年，1例用于展示远程手术潜力的手术在美国和法国之间完成，美国纽约的医生使用宙斯系统成功地为身处法国的患者施行了机器人辅助内窥镜下胆囊摘除术（林白行动）。1997年，Intuitive Surgical公司整合手术系统（现在的直视手术）通过SRI Green远程手术系统的许可。这个系统经过广泛的重新设计，称为达芬奇手术系统，并于2000年获得FDA的许可。该系统采用主从手结构，医生在控制台通过主手操作机器人完成手术动作，通过脚踏板来控制高质量的视觉系统，从端包括两个机器人手臂和一个内窥镜夹持手臂，机械臂可以完成人手无法完成的极为精细的动作，手术切口很小，从而缩短了患者术后恢复的时间，提高了手术效果[51]。1998年，美国巴尔的摩市的外科医生成功使用肾脏经皮穿刺系统为远在意大利的患者进行肾集合系统经皮穿刺手术。2007年，美国开始研究远程微创外科手术机器人系统项目，采用达芬奇系统在美国华尔特里德陆军医学中心和约翰霍普金斯医院之间开展远程手术研究。随着远程手术技术的发展，手术可以在距离医生几千公里以外的地方完成，而互联网和卫星通讯技术的发展，使在一些危险的地区或常规手术难以甚至根本不可能进行的地区进行远程手术正逐步成为可能。

本世纪初，国内开始对机器人远程外科技术进行研究。2001年，解放军海军总医院和北京航空航天大学合作，开展了局域网下远程外科手术的初步研究，并于2003年利用黎元BH-600主动式机器人，在北京和沈阳之间完成了国内首例脑外科立体定向远程操作手术，在视觉标定、ADSL多路视频网络同步传输、基于预览、预测的增强现实等技术方面取得突破性进展。自2005年5月至2006年3月，北京积水潭医院利用自主研发的基于ASDL/ISDN网络平台的主从式远程外科机器人辅助胫骨髓内钉内固定手术系统进行异地远程手术操作，在经过严格训练和成功完成模型骨、尸体模拟实验的基础上，选取7例闭合胫腓骨骨折患者，开展北京与石家庄、北京与延安之间的异地远程胫骨骨折闭合复位、带锁髓内钉内固定手术[52]。结果显示，自主研发的远程骨科机器人手术系统安全有效，不同于全程非间断的实时手术视频传输远程操作，可避免网络延时、带宽限制，为远程外科机器人在创伤骨科中的应用搭建了实用、安全的技术平台。远程手术的关键技术是包括外科手术虚拟训练器技术、力传感和反馈技术、遥操作技术、网络应用技术，并与虚拟现实技术结合紧密。作为一项方兴未艾的尖端医疗技术，远程手术系统的出现将对现代医学工程的发展产生深远的影响。同时，它也是一项涉及多学科领域的综合技术，它的发展将对各相关学科的发展产生推动作用。

3 总结与展望

外科手术的世界性发展趋势是微创化，而外科的微创化不仅指某种或某几种具体的微创手术技术，更是贯穿整个临床实践的理念，是将来外科治疗操作中的指导思想。医疗外科机器人与计算机辅助手术的开发为外科手术模式带来了革命性的改变，它是现代医学、信息技术以及智能化工程等诸多领域的结晶。目前，国外计算机辅助技术和机器人技术相结合已经在很多领域被应用于临床并取得了良好效果，但在国内，实际临床应用成功的范例较少，相关工作也仅处于起步阶段，还需在以下领域继续做深入研究。

①虚拟现实技术的应用：使医生更有身临其境的真实感觉，并应用于外科医生的培训。

②高精度定位系统的研究：目前无论是机械臂定位系统，还是基于光学导航的定位系统，都存在着精度不足、装置笨重、体积较大、价格昂贵等不足，高精度定位系统的开发对于提高手术质量、改进外科机器人有着积极意义。

③远程操作外科机器人的开发：中国地广人多，许多偏远地区患者难以得到及时救治，远程操作外科机器人的开发和应用将成为解决现实医疗问题的重要手段。

另外，新型外科机器人机构、新型手术工具、智能传感器等相关技术的开发仍将是未来外科机器人研究的热点和重点。相信随着科学技术的不断发展，外科机器人必将为外科手术模式带来一场新的革命。

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Progress of Medical Robot Application and Research

GUI Haijun,ZHANG Shilei,SHEN Guofang.Department of Oral and Maxillofacial Surgery,Shanghai Ninth People′s Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai Key Laboratory,Shanghai 200011,China.

ZHANG Shilei(E-mail：leinnymd@hotmail.com).

Medical robotics;Computer assisted surgery;Telesurgery;Image processing

R608

B

1673－0364（2011）01－0055－05

10.3969/j.issn.1673-0364.2011.01.016

国家自然科学基金（30801302）；上海市科委重点项目（074119511）。

200011 上海市 上海交通大学医学院附属第九人民医院·口腔医学院口腔颌面外科，上海市口腔医学重点实验室。

张诗雷（E-mail：leinnymd@hotmail.com）。

【Summary】The development of robotics has been promoting surgical models to a revolutionary change.Medical surgical robot has been used in operation in many fields,such as brain neurosurgery,plastic surgery,orthopaedics,and so on,and shows great social and economical value.The process of robot research based on current medical robotic application was reviewed in this article,and the structure of medical robot system was also introduced.Finally,the prospect of surgical robot was discussed.

2010年11月30日；

2010年12月13日）