机器人在医疗康复中的应用现状与展望

引言：近年来，机器人工业发展快速，医疗和康复机器人成为机器人领域的研究热点之一。本文论述了机器人在医疗康复工作中的应用现状，介绍了机器人在这一领域最新研究进展和未来发展趋势。

一、概述

迄今为止，人类共经历了三次影响深远的重大科技革命，第一次是18世纪的工业革命，第二次是19世纪的电力革命，第三次是20世纪的信息革命。那么，21世纪新科技革命的主题是什么？科学界认为，第四次科技革命将由机器人引领。

“机器人”（Robota）一词来源于1920年捷克著名作家卡雷尔·卡佩克发表的科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》，而机器人实物则是在1954 年由美国人乔治·德沃尔设计制造出来的。第一台机器人诞生以后，机器人技术迅速发展，相关科技成果也得到普及。美国AMF（美国机械与铸造）公司在1962年生产出世界上第一台商业化工业机器人“Versatran”（意为“万能搬运”），而在1980 年工业机器人就已经在日本普及，它们遍及汽车、电子、电器、烟草、化工、食品和印刷等工业领域，1980年也因此被称为“机器人元年”[1]。

自第一台工业机器人诞生到现在，机器人技术早已不局限于传统的工业和制造业。随着电子技术、传感器技术、医学影像技术、现代信息处理技术的飞速发展，机器人技术被应用到多个行业中，医疗领域便是其中一个重要应用领域，并由此产生了医疗机器人。医疗机器人主要用在伤病员或病人的诊断、治疗、手术、康复和护理等方面。对于医疗机器人的研究，大部分是对外科手术机器人和用于康复及护理机器人的研究，研究成果目前已经在脑神经外科等方面得到了广泛的应用[2]。

智能型手术及医疗服务机器人，有广泛的感觉系统、智能和模拟装置，涉及医学成像、图像分析、机器人、运动分析及虚拟现实等多个学科的最新成果，能够全面扩展人类能力极限，提高医生的手术及诊疗技能，辅助医生进行手术规划、仿真、操作等过程[3]。从20世纪90年代起，国际先进机器人计划（IARP）已召开过多届医疗外科机器人研讨会，并且在发达国家已经出现医疗机器人市场化产品[4]。

医用机器人是目前国内外机器人研究领域中最活跃、投资最多的项目之一，其发展前景广阔，美、法、德、意、日等国家学术界对此给予了极大关注，研究工作蓬勃发展[5]。目前，医用机器人的研制主要集中在微创外科手术、康复和服务机器人系统等几个方面[6]。

二、特点及优势

（一）医疗机器人应用特点

与其它机器人相比，医疗机器人具有以下几个特点：（1）作业环境一般在医院、街道、家庭及非特定的多种场合，具有移动性与导航、识别及规避能力，以及智慧化的人机交互界面。在需要人工控制的情况下，还具备远程控制能力；（2）作业对象是人、人体信息及相关医疗器械，需要综合工程、医学、生物、药物及社会学等各个学科领域的知识开展研究课题；（3）材料选择和结构设计必须以易消毒和灭菌为前提，安全可靠且无辐射；（4）以人作为作业对象，其性能必须满足对状况变化的适应性、对作业的柔软性，对危险的安全性以及对人体和精神的适应性等；（5）医疗机器人之间及医疗机器人和医疗器械之间具有或预留通用的对接接口，包括信息通讯接口、人机交互接口、临床辅助器材接口以及伤病员转运接口等 [7]。

康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，贯穿了康复医学、生物力学、机械学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为国际机器人领域的一个研究热点。将机器人技术应用于康复医疗领域，不仅可以将康复医师从繁重的训练任务中解放出来，减轻医疗人员的负担，而且还可以详细客观地记录训练过程中的治疗数据，供康复医师分析和评价康复训练效果[8]。

（二）医疗机器人应用优势

目前，医疗机器人的实际应用主要集中在外科手术领域，机器人做手术十分精确，一个神经外科大夫的误差精度能达到2毫米，而机器人的精度可以很容易达到微米级，在同等情况下实现比传统人工手术更好的手术效果。与人类相比，机器人具有定位准确、状态稳定、灵巧性强、工作范围广、不怕辐射和感染等优势。机器人可以增强医生对手术现场的感知、决策和操作能力，创造出传统手术无法比拟的成效。从世界机器人的发展趋势来看，用机器人辅助手术将成为一种必然的发展趋势[9]。据日本科学技术政策研究所预测，到2017 年，在医疗领域使用手术机器人的手术将超过全部医疗手术的一半[10]。

三、临床应用现状

（一）手术机器人

1985年，加拿大Kwoh 教授在世界上首次采用PUMA262 工业机器人来完成脑肿瘤活检手术[11]，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。这一时期的医用机器人大多采用工业机器人平台。2000年美国IntuitiveSurgical公司开发DaVinci微创外科机器人系统，并获得欧洲CE认证和美国FDA认证，标志着手术机器人正式在世界范围内应用于临床，是世界上首套可以正式在医院腹腔手术中使用的医疗外科机器人[12]。它是目前在医疗领域应用范围广，商品化比较成功的机器人系统之一，被誉为医疗手术机器人研究的一个里程碑。

目前，手术机器人不仅完成了普外科，而且也能完成脑神经外科、心脏修复、胆囊摘除、人工关节置换、泌尿科和整形外科等方面的手术。国外正在研制和开发体内自主行走式诊断治疗、体内微细手术和体内药物直接投放微型外科手术机器人[3]。国内在手术机器人的研发也取得了较大进展，国内数家医院陆续引进这项新技术，并投入临床应用[13]。哈尔滨工业大学机器人研究所成功研制出纳米级精密定位系统，在这个系统支持下的纳米级高精密微驱动机器人，能对细胞和染色体进行“显微手术”。北京航空航天大学与海军总医院合作研制开发了脑外科机器人系统，并完成了多例脑外科立体定向远程遥操作手术[14]；与北京积水潭医院联合研制了骨科手术机器人系统，并完成了长骨骨折髓内钉内固定远程遥操作手术；与海军总医院、北京医院合作研制了心血管介入手术机器人。天津大学研制了主从式遥操作结构、具有三维力传感器的显微外科手术机器人，并成功地完成了动物实验；中国科学院自动化研究所与上海胸科医院等单位合作研制了血管介入手术机器人，并完成多例动物实验；哈尔滨工业大学、北京理工大学等单位，也开展了不同类型医疗手术机器人系统的研究和开发 [15，16]。

（二）康复机器人

康复机器人是近年出现的一种新型机器人，属于医疗机器人范畴。它分为康复训练机器人和辅助型康复机器人。康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，如行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练、颈部运动训练等；辅助型康复机器人主要用来帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，如机器人轮椅、导盲手杖、机器人假肢、机器人护士等[17]。

机器人技术应用于康复领域，既可提供有效的康复训练，又不增加临床医疗人员负担和卫生保健成本。另外，机器人可以记录详实的治疗数据及图形，能提供客观、准确的治疗和评价参数，有助于机器人辅助治疗偏瘫研究的深入开展，具有改善康复效果和提高康复效率的潜力。近年来，国外一些研究机构开展了上肢康复机器人的研究，已得到一些初步的结论[18]。辅助型康复机器人按工作方式主要分为四种类型：工作站型康复机器人、移动护理类康复机器人、基于轮椅的康复机器人和增强肢体功能的康复机器人。目前，康复机器人的研究主要集中在康复机械手、智慧轮椅和康复治疗机器人等几个方面[19]。

国内在康复机器人、助力机器人方面也开展相关科研工作。清华大学等单位开展了各类不同功能的康复机器人研制工作，哈尔滨工程大学研制了下肢康复机器人、手臂康复机器人等系统，中国科学院研制了具有肌电（Electromyography，EMG） 信号采集和功能性电刺激的下肢康复辅助训练机器人，华东理工大学等单位在助力机器人系统方面开展了研究和研制工作[20]。

四、发展趋势及展望

随着技术的发展，机器人将向医疗的各个领域渗透，将涵盖包括外科手术、医院服务、助残、家庭看护和康复等的所有层面，开创临床医学的新天地。各种新型医用机器人机构、新型手术工具、医学图像采集和处理技术、远程信息传输技术、智能传感器、智能轮椅、智能康复设备及其它相关技术等仍是研究热点。

目前，手术机器人还处于初级发展阶段，有许多方面需要不断的完善和改进：开发智能化的安全与决策系统，以保证病人的安全；通过增加“人造视野”系统，可在手术过程中监视术野，辅助术者做出判断，增加手术的安全性；用软件来处理触觉和视觉图像的整合、分割和合成；提供稳定的触觉控制，识别不同的人体组织，进行关键解剖结构的图像识别和图像分割；具有良好的触觉反馈和位置觉。目前国外正在研制和开发体内自主行走式诊断治疗、体内微细手术和体内药物直接投放微型外科手术机器人。医生用注射器将微型机器人推入人体内部，由它所携带的微生物传感器对人体组织进行检测，当发现有病变组织时，微型手术机器人对病变组织进行直接手术和药物注射治疗[9]。

近年来，治疗型康复机器人的研究取得了重要进展，如有辅助神经肌肉康复训练机器人和脑神经康复机器人。康复机器人技术经过了40 多年的发展，已成为国际机器人领域的一个研究热点，其未来发展呈现以下几个趋势：①各种先进的机器人技术广泛应用到康复领域； ②康复理论的发展催生新的康复机器人；③仿生学的发展指引着康复机器人的未来[3]。

医疗机器人将机器人技术应用到医疗领域，极大的推动了现代医疗技术的发展，是现代医疗卫生装备的发展方向之一。手术机器人具有高准确性、高可靠性和高精确性，提高了手术的成功率；康复机器人具有智慧化，可为伤员、病人与老年人提供康复护理和服务。随着科学技术的不断更新、社会老龄化和现代战争的高技术化，以及医疗技术的发展，医疗机器人及其辅助医疗技术将得到更深入而广泛的研究和应用，促进医疗机器人技术的快速发展。从长远发展角度来看，集伤病员营救、护送、手术、转运、康复和护理为一体的真正医疗机器人系统将会受到广泛的关注和重视[7]。

随着现代科技的不断进步，机器人技术在医疗领域还会得到更广泛的应用。目前，对于医疗机器人的最新研究也在不断的产生出新的成果，不断完善已有的机器人系统，同时开发出更多更新的医疗机器人。未来医疗机器人的发展方向为高准确度、高可靠性、高精确性、智慧化、数字化、一体化。随着纳米技术的不断进步，微型医疗机器人将会是医疗器械下一个主战场[21]。

结束语

机器人用于医学领域，是医学史上的一大进步。机器人辅助外科手术，使外科诊断与治疗更加微创化、微型化、智能化和数字化，是人类医学史上的一场伟大变革。目前机器人应用于手术尚处于初期阶段，存在的主要问题是相当一部分机器人为工业机器人改进而来，可靠性与安全性有待进一步验证，且多数医疗机器人处于实验样机或者临床试验阶段，科研成果向商业转化进度较慢，导致真正用于临床医疗的机器人系统仍然十分有限[21]。

由于机器人在手术的准确性、可靠性和精确性上大大超过了外科医生，机器人技术已经在医疗领域得到了长足的发展，并取得了很好的临床效果。但由于一些主客观原因，尤其是心理（医疗机器人被医生视为是竞争对手，被患者视为危险事物） 和其它一些非技术原因（ 如许可证的发放等） ，所以机器人在医疗和康复中的应用发展仍有很长的路要走。但随着机器人技术的不断完善和人们认识水平的提高，加之良好的医疗效果和巨大商业利益驱使，机器人在医疗康复领域将得到更深入而广泛的研究和应用，其发展前景非常广阔。

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（作者单位：中南大学信息科学与工程学院）

作者简介

戴星原（1993-），男，本科学生。现就读于中南大学信息科学与工程学院自动化专业。研究方向：智能控制、电力电子等。