医用机器人在微创手术领域的发展概况

钱文文，郑 建,2，何 涛,3

(1浙江省医疗器械检验院，浙江杭州310009，2浙江大学，浙江杭州310007，3浙江省医疗器械安全性评价研究重点实验室，浙江杭州310009)

医用机器人在微创手术领域的发展概况

钱文文1，郑 建1,2，何 涛1,3

(1浙江省医疗器械检验院，浙江杭州310009，2浙江大学，浙江杭州310007，3浙江省医疗器械安全性评价研究重点实验室，浙江杭州310009)

医用机器人作为一种新型医疗器械，已经被成功应用于各类微创手术中。本文对医用机器人在眼科、神经外科、心胸外科、肠胃外科和泌尿外科五个重要微创领域的国内外研究发展情况做了详细介绍。同时还介绍了两个成功的商业化医用机器人ROBODOC和Da Vinci的技术发展和临床应用情况。

机器人；医用机器人；手术机器人；微创手术

0 引言

自1987年法国著名医生Mouret成功使用腹腔镜完成胆囊切除术以来，越来越多的外科领域都应用微创手术取代传统的外科手术，如普通外科、神经外科、心胸外科、肝胆外科、泌尿外科、整形外科等。但是由于微创手术要求外科医生需具有高超的手术技能与精细的手术操作，所以借助先进便捷的医疗器械进行微创手术成为微创手术的必要选择，其中使用医用机器人进行微创手术受到越来越多研究人员和外科医生的关注。

本文主要介绍了医用机器人在微创手术领域中的发展现状，即医用机器人在眼科、神经外科、心胸外科、肠胃外科和泌尿外科五个重要外科领域的应用，并重点介绍了两个应用于微创手术的典型商业化机器人系统ROBODOC和Da Vinci。

1 医用机器人在微创手术领域的应用

1.1 眼科

眼科手术往往是一系列精细而复杂的过程，人类外科医生手术的局限性大大限制了眼科手术的进一步发展。例如，在进行玻璃体视网膜手术时，反馈信息远远小于人眼所能分辨的最小值，所以该手术操作过程相当困难。为克服眼科手术中的种种困难，提高眼科手术质量，研究人员在眼科医用机器人方面开展了大量的研究。

第一个应用于眼科手术的医用机器人系统是1997年由美国Northwestern University开发研制的显微外科机器人。该系统是基于Stewart平台的并联机器人，操作者可以通过一个轨迹球对该机器人系统进行操控，操控灵活。2004年Carnegie Mellon的研究人员开发了一种手持式机器人系统Micron，该系统可以有利于消除医生在手术过程中手部颤抖等对手术不利的多余动作。2007年Johns Hopkins University研制的Steady-hand机器人是一个辅助手术机器人，最大的特点是该系统对操纵者有一个自然反馈信息，从而实现手术过程中的稳定控制。ZTH Zurich的研究人员最新开发了一种用于眼科手术的无线微型机器人系统，该系统基于磁力无线控制，从而取代传统的物理线路，研究人员计划将该机器人系统广泛应用于玻璃体视网膜的微创手术。

在国内，北京航空航天大学的机器人研究所对眼科机器人系统有较多报道，特别是眼角膜移植方面，研究人员报道了一种用于显微角膜成形术的机器人，该机器人末端执行器上的微型压力和位置传感器可以用于术中实时监测和信息传输。

1.2 神经外科

在神经外科手术中，精确定位是此类手术的成功的重要条件，但是现有定位系统存在定位精度不高，定位装置过于庞大和复杂给病人造成一定的心理负担等缺点。所以临床医生想通过利用医用机器人来完成神经外科手术中的立体定位。

早期的神经外科定位机器人系统大多是基于工业机器人系统。1988年Kwoh首次提出了一个基于Puma200的定位机器人系统，用于脑组织活检中探针的导向定位。Accuray公司研发的CyberKnife机器人系统是一个用于放射外科的机器人系统，其中该系统的呼吸同步跟踪系统，大大提高了实时定位的精度。Reinshaw 公司的NeuroMate机器人系统是一个比较成功的商用化产品，已经被成功应用于深部脑刺激的电极植入手术和神经内窥镜手术、放射及活检的立体定位术。1999年推出的无框架版本，大大减轻了手术创伤。该机器人系统获得了美国食品与药品管理局(FDA)的认证，成为最早被美国FDA批准用于临床的神经外科手术机器人。Imperial College London研究人员最新研究成果，一种新型机器人探针，该探针最大的特点在于其仿生学设计，可以通过病人颅骨上的小孔进入颅骨并沿着指定的弯曲线路进入大脑。

图1 NeuroMate定位机器人系统

国内方面，1997年由北京航空航天大学机器人研究所和解放军海军总医院共同研制的脑外科机器人辅助定位系统Puma262，已经被成功开展于临床应用，取得了一定的研究成果。

1.3 心胸外科

传统的心胸外科往往需要通过开胸手术，而开胸手术具有伤口大，出血多，恢复慢等缺点，所以微创外科成为心胸外科手术的热门研究，但是此类手术有一定局限性，比较复杂的手术尤其是精细的心脏手术不能很好的实现。医用机器人正好可以弥补人类的缺点，利用其高精度，可以再狭小空间操作精细手术，高分辨等优势完成各种人类外科医生无法完成的手术。

2005年Carnegie Mellon University研制的辅助心脏手术的机器人系统Heartlander，为一个用于心肌内注射的椭圆型爬行类机器人。此类微型机器人可以爬行至手术部位进行心肌内注射，大大抑制了心肌梗塞。最初该机器人使用电动马达驱动，在后期研究中进行不断改良实现了超声马达驱动，大大增强其操作性能。2006年University of Washington的研究人员还开发了一个重量仅为22.5kg的机器人系统RAVEN，类似的同类系统常常重达半吨。该机器人系统相对较为便捷，适合一些特殊场合的使用，比如战场、事故现场和太空等。Hansen Medical公司开发了一款导管机器人系统Sensei, 该系统是全世界第一个血管内动脉瘤修复机器人系统。Intuitive Surgical公司著名的Da Vinci 机器人系统也可应用于各类胸心外科手术，比如心脏停跳搭桥、二尖瓣成形和置换、主动脉瓣切除术和肺叶切除等各类手术。Da Vinci机器人系统作为一个较为成功的商业化机器人系统，本文将于第三部分做具体介绍。

由国内天津大学、南开大学和天津医科大学总医院联合共同研制开发的微创手术外科机器人“妙手A (McroHand A)”，凭借该系统四自由度小型手术工具、三维立体视觉和主从式控制等特点。目前“妙手A (McroHand A)”系统已经顺利通过动物实验，有望将来应用于胸心外科手术。

1.4 肠胃外科

通常，肠胃科的医生会使用胃肠镜对病人的肠胃进行诊断与手术。所谓的胃肠镜就是借助一根纤细而柔软的管子进入到肠胃系统观察病灶，但是传统胃肠镜的管子往往会引起病人的诸多不适症状。所以研究人员希望能研制出较容易吞咽的微型肠胃机器人，近年来大量应用于肠胃外科手术的微型机器人被研制出来。

图2 胶囊型内窥镜M2A

第一个胶囊型内窥镜M2A是由Given Imaging公司开发，该微型胶囊直径仅为10mm，长度为27mm。主要由一个微型相机、射频发射器、LED照明灯和微型电池构成，拍摄的图片由无线传输至计算机。由于其体积非常小，病人只需一杯水就能轻松服下该胶囊，其通过肠道蠕动和收缩向前行进。2001年，M2A获得美国FDA正式批准，允许应用于小肠的检查诊断。2007年美国University of Nebraska的研究人员还报道了一个名为NOTES的内窥镜机器人系统。该微型机器人系统由一个中心装置和两个臂构成，通过食道进入到食道后可以提供一个稳定的可视化平台和任意方向的观察，可以协助外科医生进行小肠解剖等手术。欧盟代号为ARES的项目研制出一种新型结构的微型机器人系统，此类机器人由多个部分构成，其中每个部分都具有其独特的功能，这种结构代表了一种新的微型机器人发展方向。

国内方面，大连理工大学研制的胶囊机器人可以实现在肠道内垂直游动，此项技术达到国际领先水平。上海交通大学曾报道过一个无线内窥镜微型机器人，该机器人系统基于蚯蚓运动的仿生设计，由三个线性单元构成。重庆金山科技、安翰光电技术和杭州华冲科技等国内多家公司也积极投入到胶囊内窥镜方面研发和生产工作。其中重庆金山科技获得相关方面的专利上百余项，该公司自主研发产品OMOM胶囊内镜已经获得国家药监局颁发《医疗器械注册证》，正式投入应用。

1.5 泌尿外科

随着医疗技术不断发展，泌尿外科手术微创化是外科医生不断追求的目标，而医用机器人定位精度高、防抖动等优点都较适合应用于泌尿外科微创手术。研究人员和临床医生不断尝试使用医用机器人辅助进行泌尿外科手术。近年来，大量应用于泌尿外科的医用机器人系统被报道。

2005年Johns Hopkins University的研究人员开发了一种新型的用于前列腺的远程驱动机械手。该装置在医生的控制下可以实现前列腺部位毫米量级误差内的定位，适用于前列腺手术中的穿刺活检和基准标记等操作。2008年University of British Columbia的研究人员还提出了一个四个自由度的前列腺手术机器人，该机器人允许针头在X-Y平面自由精确的移动，沿Z轴方面插入。同年加拿大Engineering Service公司的研究人员曾报道过一个用于前列腺消融术的磁共振兼容机器人，对该机器人的磁共振兼容特性，可视化工具和控制精度都做出了详细的报，同时还指出使用该机器人系统可以实现误差小于2mm的定位。除了一些用于定位的医用机器人，Zues和da Vinci 机器人系统都可应用于泌尿外科的手术，例如肾切除，前列腺切除和膀胱修复手术等。

哈尔滨理工大学智能机器人研所的研究人员提出了一个用于前列腺癌治疗的半自动化的机械手，该机械手可以用于精确控制放射性粒子的位置，使得前列腺癌治疗达到最佳效果。

2 典型的医用机器人

2.1 ROBODOC机器人手术系统

ROBODOC机器人系统是一个在骨科领域成熟应用的医用机器人产品。在1986年，美国IBM Thomas J. Watson研究中心的研究人员与美国University of California的研究人员联合，合作开发了第一个应用于骨科手术的机器人系统ROBODOC。该机器人系统主要应用于全髋关节置换术，研究人员初衷是希望利用机器人系统的高精密度从而提高关节置换手术的质量。1992年, ROBODOC协助医生进行了第一例全髋关节置换手术。该突破性方式大大促进了三维图像、术前规划和机器人辅助手术的发展。同年ROBODOC开发团队还获得著名的计算机史密森医学创新奖。1994年开始ROBODOC系统开始商业化使用，被应用于各类全髋骨关节置换术、膝关节置换术及相关修复手术。

2008年，ROBODOC正式通过美国FDA认证，允许在医院使用进行全髋骨置换术，是全世界唯一一台被FDA认可的可以进行骨科手术的机器人系统。截止2012年12月为止，ROBODOC已被广泛应用于美国，欧洲，日本，韩国和印度等全世界各地，并且协助外科医生完成关节置换手术超过28000例。同时ROBODOC还在进行不断的新技术更新，未来应用可能将广泛应用于各类脊柱和开颅手术。

图3 ROBODOC机器人系统

2.2 Da Vinci机器人手术系统

Da Vinci机器人系统是目前世界上应用最为广泛的医用机器人系统。上世纪90年度美国Intuitive Surgical公司成功的将最先进的太空遥控机器手机转化为医用临床应用，并将其研制的机器人命名Da Vinci。该机器人系统一共包括医生操作系统、床旁机械臂系统和视频处理系统三个系统。其Intuitive运动模式保持了相应的手眼一致，手与器械运动一致，从而对器械进行有效控制。通过高清晰三维立体的成像系统，紧凑易控的控制台和Endo Wrist可转腕器械，医生的动作被等比例的调整，滤除抖动，病精确的传递至病人身旁的机器臂及器械上，完成高质量高难度的手术。

2000年6月，Da Vinci手术系统成为了美国FDA批准的第一个用于腹腔镜微创手术的自动控制机械系统。2005年Intuitive Surgical公司又推出该机器人系统的升级版Da Vinci S系列；2009年推出的Da Vinci Si系列是目前该手术机器人的最新版本，拥有双操作系统适用于手术培训和合作手术。美国排名前100位的医用已经有92家医院安装了Da Vinci手术系统。美国85%以上的前列腺癌根治术使用Da Vinci手术机器人完成。Da Vinci手术系统通过FDA批准可以开展的临床手术见表1。仅2010年1年，Da Vinci手术系统完成手术超过250000例。

国内的中国人民解放军总医院、中国人民解放军第二炮兵总医院和复旦大学附属中山医院等十余家国内的医院也已安装先进的Da Vinci手术机器人。并且应用先进的手术机器人以开展不少手术，如解放军总医院在高长青主任的带领下，使用Da Vinci手术机器人完成心血管类的手术400多例；第二炮兵总医院以周宁新教授为代表，已使用Da Vinci手术机器人完成130例肝胆胰外科手术。

图4 Da Vinci Si机器人系统

3 总结

医用机器人凭借其在手术过程中的高精准度和可重复性等特性，在某些方面远远超过了人类外科医生的能力，使用医用机器人在微创外科手术领域的应用必将成为发展新趋势。随着今后研究人员不断技术进步和临床医用工作者不断实践应用，改进医用机器人所存在的缺陷、提高医用机器人工作性能。医用机器人技术将更为成熟与稳定，在微创外科领域的应用必将更为广泛与系统。

表1 Da Vinci Si 机器人系统通过FDA批准可以应用的临床手术

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A review of medical robotics for minimally invasive surgery

QIAN Wen-wen, ZHENG Jian, HE Tao

(zhejiang institute for the control of medical device, hangzhou 310009, China)

Medical robotics as one of novel medical devices, have been successfully applied to a variety of minimally invasive surgery. This paper provides an overview of medical robotics for minimally invasive surgery on ophthalmological surgery, neurosurgery, cardio-thoracic surgery, gastrointestinal surgery and urological surgery. Technology developments and clinical applications of ROBODOC system and Da Vinci surgical system which are the most typical medical robotics are also included in this paper.

Robotics; Medical Robotics; Surgical Robotics; Minimally Invasive Surgery

2014-01-26

TH77

A

1002-2376(2014)06-0001-05