外科手术机器人的研究现状与进展

杨 鑫 李占贤 徐卫国

(河北联合大学冀唐学院临床医学系，①机械工程学院，②附属医院肿瘤外科 河北唐山 063000)

外科手术机器人的研究现状与进展

杨 鑫 李占贤①徐卫国②*

(河北联合大学冀唐学院临床医学系，①机械工程学院，②附属医院肿瘤外科 河北唐山 063000)

外科手术 机器人 辅助装备 优越性 局限性

进入20世纪，随着医疗水平的不断提高，人们开始关注手术治疗作为一种创伤对患者的不利影响，并积极

探索减少手术创伤的方法。经过多年的临床实践，人们发现机械性的腹腔镜存在感觉能力差、二维图像距离感缺失、完成精细分离操作难度大等缺点。这些因素在很大程度上制约了腹腔镜技术向更为复杂的外科手术的拓展，也成为当今腹腔镜发展中的“瓶颈”。于是，更稳定、更安全、更精确、更规范的现代外科手术机器人应运而生。

1 外科手术机器人的发展历程

1985年，美国加州放射医学中心使用一种能够自主定位的立体定向装置(Puma 560)来完成脑组织活检［1］，由此，机器人技术在外科领域的应用开始广泛开展。1989年，英国的皇家学院机器人技术中心利用改进的6自由度Puma机器人，开展了前列腺手术切除术，使得手术操作时间大大缩短［2］。随后，开发的Caspar机器人系统，采用Stabubli RX90工业机器人，用于全髋或全膝关节置换术中的骨骼磨削以及前交叉韧带重建术的隧道入点定位，磨削精度达到了0.10mm［3］。但是，早期的机器人系统完全基于工业机器人系统，其实用性受到了很大的限制，无法进行更为精细的操作。

鉴于先期机器人的优越性，科学家开始进行专用外科机器人的研究。1991年，ISS推出Robodoc用于进行膝关节外科置换术［4］。它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。Computer motion公司于1994年研发了内镜光学定位外科机器人系统“AESOP”［5］。AESOP用来减轻传统微创外科手术中持镜护士的繁重工作，医生能够通过语音控制内窥镜镜头的位置。

1999年初，由两家美国公司(Computer Motion和Intuitive Surgical)先后独立研制的宙斯(Zeus)和达芬奇(Da Vinci)两套手术机器人系统，分别经欧洲CE认证，次年获得美国FDA批准，标志着手术机器人正式在世界范围内应用于临床［6］。2001年9月7日，法国医生Marescaux领导的一个医疗小组完成了著名的跨大西洋远程Zeus机器人胆囊切除术－－“林德伯格手术”，开创了远程手术的先河［7］。

最为引人关注的是美国Intuitive Surgical公司开发的Da Vinci系列机器人。Da Vinci机器人集成了图像导航技术、机器人定位、遥控操作等多项技术，这个机器系统还在比利时演示了内镜下的机器人辅助微创胆囊切除手术［8］，使人们清醒地认识到机器人在微创外科中的巨大潜能。

国内也加紧了对外科手术机器人的研究。1997年，北京航空航天大学和解放军海军总医院联合研制了基于Puma262的脑外科机器人辅助定位系统，并成功开展了临床应用，填补了国内医用机器人研究的空白［9］。2000年海军总医院研制了计算机辅助立体定位神经外科手术系统［10］，系统首先利用患者脑部的扫描数据重构并绘制出患者脑部的三维组织结构，为医生调整和确定手术规划提供参照。2010年，由天津大学、南开大学和天津医科大学总医院联合研制的“妙手A”系统通过了专家鉴定，该系统拥有多项技术创新和发明［11］。如首次设计完成四自由度小型手术工具，可适应微创手术需求，并可完成复杂的缝合打结运动操作;采用三维立体视觉系统替代传统的平面成像系统，使手术视野立体清晰;机器人的操作手臂有了力学反馈，使医生操作有了触觉，提高了手术的精确程度。更为值得一提的是该系统完全是由我国自主研发的。

随着医用机器人技术的不断发展，机器人开始向微小化方向发展。2001年，以色列Mazor公司开发的脊椎外科机器人Spine Assistant就是典型的例子，其机器人辅助定位系统解决了脊柱微创外科手术中的高精度定位问题［12］。2004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［13］。同年，北京航空航天大学与北京积水潭医院联合研制了具有6个自由度的小型模块化机器人系统，该机器人结构紧凑，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［14］。

2 外科手术机器人的优越性及局限性

如今，外科手术机器人已经应用到胸心外科［15］、肿瘤外科［16］、普通外科［17］等领域，其在技术上也体现出前所未有的优越性，比如系统末端安装手术器械的仿真手腕具有多个活动自由度，比人手更加灵活，提高了手术的精度;高分辨率的三维图像处理设备，将手术野放大了10～20倍，有利于外科医生清晰地进行组织定位和操作;在术中可自动滤除人手的颤动，排除主刀医生可能的颤抖对手术造成的不利影响，提高手术的操作性、精确性和稳定性;配备齐全的手术器械能在狭小空间准确完成多种精细手术操作［18］;利用网络技术进行远程手术［19］。在不断发展的同时，我们应该明确，机器人并不是要代替人类，而是作为辅助工具，就像一把更先进的手术刀或者止血钳，能够更加有效地增强医师对手术的控制力。

外科手术机器人目前还只是未来发展的方向，在手术中的应用还有很多局限性，如:手术机器人依然没有很好地解决利用器械手术时缺少触觉反馈的问题，这将影响到手术操作的精确性、安全性和灵活度，从而大大束缚外科医生的能动性［20］;手术机器人的体积依然偏大，占用了手术室较大的空间，其本身的教学能力有限，不利于青年医师培训;费用昂贵。所以要是想让机器人成为疑难手术的必选方法，我们还需要经过漫长的发展期。

各级卫生组织应成立相应机构，加强外科医生与电子机械工程师之间的联系，使外科技术与电子机械领域之间能够更好地结合，加快外科手术机器人的研发进程，从而为人类创造更优质的医疗服务。我们可以大胆设想一下未来的手术室。智能担架将患者的重要信息进行记录，并对患者实施麻醉，其还能扫描提供患者的影像学资料［21］。患者随后被彻底消毒并送进无菌手术室。用自动机械传递装置代替机械护士，用自动取出装置代替巡回护士。外科医生可以控制很多机械手，机械可以自由更换手术需要的纱布、缝合线。因为手术室常常和中心消毒室建在一起，所以将大大减少人员的使用。患者在进入手术室完成一系列的术前准备后，医生利用数字成像技术快速建造“动态克隆人”，所谓“动态克隆人”就是一个在解剖学上与患者高度保持一致的虚拟三维克隆人，并且能够同时做出与患者相同的动作，如脏器位置的变化，呼吸深度的变化等。然后医生带上“魔幻手套”，机器人手在传承了以往优点的基础上，还可以做与医生带上“魔幻手套”的手一致的活动，同时它还能将脏器感觉很好地传递给手套，此时医生在克隆人身上手术就如同在患者身上手术一样。

以上仅是设想，不一定会演变成上述样子，但我们正在朝着这个方向发展。机器人手术系统还有许多潜能有待我们去开发。如果实现，那么人类将开始微创手术新的纪元。

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A

2095－2694(2012)02－176－02

(2011－10－21 收稿)(王一伊 编辑)