机器人技术的沿革与展望

张旭 丁强

1中国人民解放军总医院泌尿外科100853北京

腹腔镜技术是20世纪医学发展过程中重要的里程碑，具有创伤小、痛苦少、恢复快、效果好等优点，代表了微创外科发展方向。进入21世纪，基于腹腔镜技术，随着专用机器人——达芬奇系统的推出，微创外科进入了机器人时代。

机器人一词来自捷克语“robota”，意思是强迫劳动。1920年捷克作家KarelˇCapek在他的科幻舞台剧“Rossum's Universal Robots”中首先使用这个名称。随着自动化和机器人技术被广泛应用于制造业和极端工作环境中，在其他领域同样得到迅速发展，其中包括医学。

1 机器人技术的沿革

机器人技术应用于医学最早可追溯到解决残疾人日常活动的辅助康复器械。其中最具代表性的是RAID（Robot for Assisting the Integration of the Disabled）系统。机器人被首次用于协助手术治疗始于1985年，由洛杉矶Memorial医院的Kwoh等报道，将Unimation PUMA 200工业机器人带入手术室控制一台激光器进行颅脑手术。此后，PUMA 560机器人被用于CT引导下脑部穿刺活检。

将机器人应用于腔内泌尿外科的最早尝试始于1989年，由伦敦皇家学院机械工程系研究组研发了名为PROBOT的机器人。在经尿道前列腺切除术中执行精确的、重复性的、受控制的操作，能够按照之前确定的计划执行手术任务。

法国里昂Edouard Herriot医院泌尿移植科的Albert Gelet于1993年研制了高强度聚焦超声消融装置治疗前列腺癌。该装置利用预先创建的前列腺三维模型，通过一个可引导机器人直肠内探头的电脑系统计划并监测全部治疗过程。

意大利研究组于1995年开发了SR 8438Sankyo Scara机器人系统。由于整合了超声监测功能，该系统可以在经会阴前列腺穿刺活检操作中帮助进行精确定位，同时用四个摄像机记录患者的位置和身体形态，这是泌尿外科首个遥控机器人程序。

约翰霍普金斯大学开发LARS机器人系统以协助泌尿外科医生进行经皮肾脏穿刺，此装置经过进一步改进，称为PAKY装置。该装置辅助泌尿外科医生在控制台通过遥控调整穿刺针，沿着选定的运动轨迹正确移动，为开发全自动化机器人辅助经皮肾穿刺技术奠定了基础。

在泌尿外科，机器人更流行的应用平台是腹腔镜手术。自从上世纪90年代早期以来，腹腔镜手术在泌尿外科系统领域引发极大的兴趣。由于腹腔镜手术的学习曲线陡峭，机器人系统为了克服腹腔镜技术的局限性和探索微创手术优势而得到迅速发展。

1994年声控机器人伊索（AESOP，用于最优定位的自动内镜系统）被设计用来接收手术医生的指示并控制腹腔镜摄像头，成为第一个被美国食品和药品管理局（FDA）批准用于临床的手术机器人。

最早的功能性主仆机器人系统是由Jensen and Hill公司开发的利用电讯联系遥控手术的SRI系统，Bowersox等于1996年首次描述了该系统应用于开放手术的经验，展示了机器人进行精细手术操作的可行性。

机器人技术的新时代开始于美国国防部和美国国家航空航天局的军事用途，他们与斯坦福研究所开发的战场机器人，最初被设计用来提供战场及时手术护理。

Fred Moll和Robert Young于1995年在美国加州创立Intuitive Surgical公司，获得该样机并进行商业改进后，制造了第一个原型机——Mona机器人，并于1997年在比利时的St.Blasius医院开展了历史上首例机器人辅助腹腔镜胆囊切除术。

在此基础上，Intuitive Surgical公司于1999年开发研制出达芬奇系统（da Vinci System），于2000年获得美国FDA认证，准许应用于外科手术。同期，Computer Motion公司在伊索机器人（AESOP）辅助持镜系统以及附加两个固定于手术台上的机械臂装置的基础上，推出了宙斯系统（Zeus System）。2002年其微腕器械（MicroWrist instruments）获得美国FDA的批准。2003年两公司合并后，不断创新，至今已经发展到第三代达芬奇系统，不仅可以进行手术操作，还可以用于教学和手术模拟演练。

达芬奇系统的出现一改以往手术室常规格局，颠覆了传统外科观念。术者无需刷手上手术台，通过操作平台控制灵活的机械臂和360°可旋转腕关节器械，在高清放大的三维手术野，如同操纵游戏机一样进行手术，更好的保护重要解剖结构，进行更精细的操作，提高了手术技巧、手术速度和精准水平，将手术质量推上更高境界，不断挑战手术禁区，在手术复杂性和精细程度上已经超过了传统腹腔镜技术。

Menon等报道机器人辅助腹腔镜的学习曲线比普通腹腔镜短，更容易掌握，尤其是具有腹腔镜手术基础的医生，其学习过程明显缩短。这些都给机器人辅助腹腔镜手术的发展带来广阔空间，短短十余年，全球多个中心都有千例以上的报道。

机器人系统的另外一个优势是可以和数据传输系统结合，为在全世界任何一个地方实施手术或在危险区域内进行手术提供了可能性。2001年由在美国纽约的Jacques Marescaux医生对位于法国斯特拉斯堡的患者成功施行第一例跨洲机器人辅助腹腔镜胆囊切除术，这一治疗被称为“林德伯格”手术，载入外科史册。目前限制远程手术的主要技术障碍是数据传输中的延迟和信号反馈，也就是控制台和操作机械臂之间的信号交互问题。另外数据传输过程中防止信号中断、隐私泄露和失真等也是重要的技术难题。

基于智能化控制系统以及精细化操作平台，其在泌尿外科的最佳适应证是需要准确显露和精细重建技巧的手术。此外，所治疗的疾病发病率应足够高，以便有稳定的手术量可供发展和规范技术。因此，在泌尿外科经常开展的术式是根治性前列腺切除术、根治性膀胱切除术、肾盂成形术和活体供肾切除术等。目前应用最广泛、最成功的是前列腺根治术。灵活的机械臂在狭小的骨盆中间可以达到更加精细的解剖，更易于保留神经，保护控尿结构，达到根治肿瘤、保留性功能和理想控尿的三连胜效果。

2 机器人技术的展望

微创外科的发展方向是在保证疗效的前提下，创伤更小、恢复更快、美容效果更好。应运而生的单孔（LESS）、经自然腔道（NOTES）手术在一定程度上满足了这方面要求。体表微瘢甚至无瘢就能够达到传统开放手术的疗效，符合现代人对高质量生活水平和审美的追求。

随着外科微创化的潮流和理念的革新，人们逐渐认识到以往创伤越大的手术，越受益于微创外科。这种理念的推广自然会将LESS、NOTES同机器人系统相结合。LESS和NOTES的美容效果加上机器人系统灵活精准的操作，可以克服LESS和NOTES方面的不足，发挥机器人系统独特的优势，其应用前景非常乐观。

目前已有多家公司正在致力于此。Intuitive Surgical公司研制开发的单孔机器人手术平台（VeSPA），采用可弯器械和弧形套管进行交叉操作，避免了机械臂之间的干扰。欧洲研发设计的ARAKNES系统，将两个机械臂和内窥镜整合一体，进入腹腔后，机械臂重新展开，利用关节的随意折曲，完成高难度操作。这些都已经具备了微创单孔机器人的雏形。目前处于试验开发和转化阶段，应用于临床指日可待。Hasen公司研究的机器人辅助输尿管检查系统（Endovia），目前已经完成临床试验，开始应用于临床。磁锚定导航系统（magnetic anchoring and guidance system，MAGS）是另外一个有助于NOTES发展的技术。MAGS由外部磁力锚、内部摄像装置、被动组织牵张器和机械臂组成，通过外部的磁力锚将腹内的摄像头和机械臂固定在腹壁上，从而完成手术。初步动物实验研究表明，该技术可以节省空间，并减少器械之间的碰撞。

新兴的数字化模拟人体技术将三维重建获得的虚拟图像与患者相应的器官位置相叠加，产生三维立体的实时效果，使手术医生获得肉眼无法看到的器官内部的空间信息。其采用的影像基础为CT、MRI和超声造影等。尤其重要的是数字化模拟人体技术获得的三维图像恰好与机器人摄像头获得的三维影像相匹配，从而为机器人技术和数字化模拟人体技术相结合提供了一个重要的结构性物质基础。医学增益现实正是此类技术的代表。目前该技术仍处于动物实验和临床试验阶段，国内外多家中心都致力于此项技术的开发研究。现在存在诸多难题急需解决，如由于呼吸和心跳带来的器官位移和变形等情况所引起的空间实时变化，无法满意的提供实时参考的影像数据。

医学发展永无止境，科技创新层出不穷，医学与数字化信息技术、智能化工程机械技术等相结合，是人类向自身疾病挑战，征服自然的必然过程。

我们相信，人类智慧终会战胜这些难题，革命性的外科前景终会实现。