智能手术机器人及其应用

谢俊祥 张琳

1 中国医学科学院北京协和医学院医学信息研究所 （北京 100020）

2 中国青年政治学院图书馆 （北京 100089）

0.前言

智能手术机器人是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域[1～3]，其源起于1985 年的第一台用于脑组织活检的医用机器人Puma560[4]。在随后的20 多年里，全世界特别是欧美等发达国家的众多科研院所、大学、医院和医疗器械公司等机构投入大量资金和人力进行医用机器人的研究[5]，将工业自动化技术、自动控制技术、医疗影像技术和远程通信技术的不断发展和完善[6]，并与医疗手术过程、医生的主观判断以及临床经验相结合，不仅引发了手术过程的革命，同时将智能手术机器人逐渐发展成为一个新型产业。目前手术机器人在医疗外科手术规划模拟、微损伤精确定位操作、无损伤诊断与检测、新型手术医学治疗方法等方面得到了广泛的应用[2,3,7]。本文在对智能手术机器人发展史进行回顾的基础上，对智能手术机器人的技术原理和临床应用进行深入分析，探讨智能手术机器人未来的研发动向。

1.智能手术机器人的发展史

“robot”（机器人）一词最早来自于捷克剧作家Joseph Capek1921 年的《Rossum’ s Universal Robots》剧本，随后Issac Asimov 在Capek 的基础上对robot 进行重新定义。但人类对于机器人的发明远远早于Capek。最著名的包括公元前400 年Archytas 的wooden bird（木鸟）、1495 年Leonardo da Vinci 的da Vinci’s robot（仿人型机械）、1540 年GianelloToriano 的Mandolin-playing lady（弹琵琶的少女）、1772 年Jaquet-Droz 的the writer（写字男孩）等[8]。随着1959 年“机器人之父”Joe Engelberger 研制出世界上第一台工业机器人[9]，从此工业机器人逐渐进入到医疗卫生、工业器械等各个领域。

机器人技术在医疗卫生领域的应用最早可追溯至残疾人日常辅助康复器械RAID（Robot for Assisting the Integration of the Disabled）系统。而机器人首次协助手术治疗则开始于基于工业机器人平台的Puma560（Programmable Universal Manipulation Arm，PUMA），该机器人是由Victor Scheinmann 于1978 年研制的，具有6 个自由度，为第一个具有真正灵活度的机械手臂。1985 年，美国洛杉矶医院用来进行脑组织活检中探针的导向定位[4]。

在随后的27 年间，全世界特别是欧美等发达国家的众多科研院所、大学、医院和医疗器械公司等机构投入大量资金和人力进行医用机器人的研究，并开发出适应各种手术的众多机器人系统（如表1 所示），其中被FDA 批准且具有重要影响力的主要有以下三种（见表2）。

（1） AESOP（伊索）

1994 年出现的机器人伊索（AESOP）被设计用来接收手术医生的指示并控制腹腔镜摄像头。该机器人由美国Computer Motion 公司研制，包括AESOP-1000、AESOP-2000、AESOP-3000 三个阶段的产品，充分体现了介入手术的特点，即减轻患者痛苦和损伤、康复快和费用低等。该机器人还可模仿人手臂功能，实现声控设置，取消了对辅助人员手动控制内窥镜的需要，提供比人为控制更精确一致的镜头运动，为医生提供直接、稳定的术野，被美国食品和药品检验局（FDA）首次批准运用于临床[6～8,12,15,16]。

（2） ZEUS（宙斯）

1996 年初，美国Computer Motion 公司在AESOP 系列机器人的基础上，开发出功能强大的视觉系统，推出主从遥控操作的ZEUS 机器人，用于微创手术系统。ZEUS 机器人分为Surgeonside 系统和Patient-side 系统，Surgeon-side 系统由一对主手和监视器构成，医生可以坐着操纵主手手柄，并通过控制台上的显示器观看由内窥镜拍摄的患者体内情况。Patient-side 由用于定位的两个机器人手臂和一个控制内窥镜位置的机器人手臂组成[1,2,7,8,15]。

（3） Da Vinci（达芬奇）

2000 年1 月9 日，美国Intuitive Surgical 公司成功开发出Da Vinci（达芬奇）外科手术机器人系统，该系统于1999 年取得欧洲CE 认证，2000 年取得美国FDA 认证，是目前为数不多的商品化的使用技术之一。Da Vinci 系统主要由3部分组成，即外科医生控制台，机械臂、摄像臂和手术器械组成的手术台车以及三维高清视频影像平台。其最大特点是：实施手术时外科医生不与病人直接接触，通过观察监视器操作控制系统，医生的动作通过计算机传递给手术台边的机械手，机械手的前端安装各种微创手术器械模拟外科医生的技术动作[1,3,7,8,12,17～19]。

2.智能手术机器人技术情况

智能手术机器人的种类繁多，机械和系统构成千差万别，同时其研究领域涉及众多学科知识，但大多数的智能手术机器人的系统构成、关键技术和工作流程大体相同，其技术的优缺点也大致相似。本部分主要介绍主流智能机器人的系统构成、工作流程以及关键技术。

2.1 智能手术机器人的系统构成

智能手术机器人是一种计算机辅助的新型的人机外科手术平台。主要利用空间导航控制技术，将医学影像处理辅助诊断系统、机器人以及外科医师进行了有效的结合，能实现术前模拟手术环境进行手术方案的规划和手术流程计划，术中根据拟定的手术方案和手术流程进行自动实施精确的手术器械空间定位、定姿，减少人为震颤及医师工作量，同时还可请异地专家实施网络虚拟手术。其主要包括机械手或机械臂、传感器、控制器和动力源四部分[3]。

（1） 机械手或机械臂

机械手或机械臂是以关节连在一起的许多机械连杆的集合体，形成开环的运动学链系，包括齿轮、联轴器等。一般分为两类：一类是可以产生转动的“转动关节”，一类是产生线性或平移运动的“线性关节”。机械手或机械臂关节的数量决定了智能手术机器人自由度的数量，如Zeus（宙斯）系统拥有4 个自由度，而Da Vinci（达芬奇）系统拥有7 个自由度。而自由度越多的智能手术机器人其灵活性越好，在临床应用越广泛。

（2） 传感器

传感器类似于人体的感受器，能收集手术所需要的各种信息，如视觉、触觉、位置、速度等，并将其转换为电信号，传递给机器人的控制器进行数据处理，处理完成后产生控制信号，反馈到传感器或机械手机械臂进行相应动作，可提供模拟、数字或模数混合式信号。

（3） 控制器

智能机器人的控制器需要具备三个功能：①与传感器接通，能够分析和处理传感器所收集的信息；②配备存储器，能够存储传感器收集的各种信息，同时存储术前预先设定的手术方案和流程；③具备必要的数字计算能力，根据存储器信息，控制机械手或机械臂各部件按预定程序在规定的点开始和结束动作。

（4） 动力源

动力源即功率变换单元。为机械手或机械臂的驱动部件提供必需的能量。

2.2 智能手术机器人的工作流程

图1. 智能手术机器人的工作流程

通过CT、MRI、PET 等医学影像设备获得病人病灶点及周围组织图像后，经过主控计算机的三维重建构成一个“虚拟病人”。医师在虚拟手术环境下讨论和完成手术规划，确定出最佳的手术方案，制定出手术流程规划，并将指令传给主控系统。主控系统和机器人通过映射测量和映射变换将医学影像空间的指令参数变换到机器人的指令和操作空间中，主控系统按手术方案和手术计划流程对机器人实施全过程的导航自动控制，实现按预先规划完成指定的手术操作过程。其具体的流程如图1 所示[3,21]。

2.3 智能手术机器人的关键技术

智能手术机器人的研究涉及众多领域的知识，其关键技术包括智能手术机器人结构、医学三维图像建模技术、虚拟手术仿真技术、远程操作网络传输技术等[2,12]。

（1） 智能手术机器人结构

智能手术机器人结构的研制是医疗机器人技术的关键点之一。虽然随着人体结构特点的不同以及用途的不同机器人结构会发生相应变化，但研制所有类型的智能手术机器人时都需注意：①根据手术对象和应用场合选择合适的结构形式，合理调控灵活度、运动范围和精度三者的等级；②根据实际要求选择智能机器人的动力源类型；③符合医师操作习惯，便于医师操作；④小型化微型化，安装、保养、维修简单且费用低廉。

（2） 医学三维图像建模技术

基于CT、MRI 等医学图像进行3D 建模，并基于3D 图像进行标定和手术规划是智能手术机器人的又一关键技术。智能机器人利用获取的医学图像进行三维图像重建，利用3D 可视化模型真实反映人体器官的解剖结构或畸变特征，帮助医生深入细致的定性、定位和定量分析病理解剖特征，完成手术模拟、术前规划，提高诊断和治疗质量。

（3） 虚拟手术仿真技术

虚拟手术仿真技术是指计算机虚拟现实技术和增强现实技术来模拟、指导机器人医疗手术中所涉及的各种过程，包括术前的手术计划制定和排练、术中的引导和术后的康复等。

（4） 远程操作网络传输技术

近年来，由于网络和通信技术的进步，专家远程手术已经成为现实，但是目前远程手术大多依赖于特定的专用通信网络，其费用十分高昂。如何利用通用Internet 网络实现远程手术是目前智能手术机器人的研究热点，而解决Internet 网络传输存在的时延、乱序及数据丢失等问题，为远程专家提供手术场景临场感、提高机器人操作效能以及应时感觉反馈，才能真正实现智能手术机器人对于专家远程手术的价值。

3.智能手术机器人的临床应用

21 世纪医疗的发展方向是在治疗的同时，尽量保留患者的生理结构和功能，智能手术机器人系统由于其手术微创的特点，以及技术上体现出的前所未有的优越性：多个活动自由度提高手术精度，高分辨率的三维图像处理设备有利于医师的组织定位和操作，术中自动虑颤帮助减少误操作的发生，医师采取坐姿进行系统操作有助于减少医师疲劳；已被广泛应用于普外科、心脏外科、妇科、骨科以及泌尿外科领域，如表3 所示。

表3. 智能手术机器人临床应用情况

4.存在问题及发展方向

智能手术机器人在国内外的应用已充分表明其技术的先进性，但并非完美无缺，由于其在临床推广应用时间短，所以仍存在一些缺陷，主要表现在以下三方面。

（1）自身缺陷

目前的智能手术机器人尚无触觉反馈体系，缺乏应力的反馈，导致容易抓破易碎组织以及不能感觉所打结的松紧度；其次，智能手术机器人整套设备体积过于庞大；安装、调试比较复杂，在使用过程中易发生各种机械故障；最后，智能手术机器人系统的学习曲线较长，需要耗费大量的学习、术前准备以及术中更换的时间。

（2）使用成本昂贵

由于生产商通过收购竞争对手和专利保护等手段，使得智能手术机器人这一领域形成了暂时的垄断，从而导致智能手术机器人购置费用、手术成本以及维修费用极其昂贵。以第3 代四臂达芬奇手术机器人来说，其购置费用达2000 万元以上，且操作器械每用10 次就要强制性更换，同时还要每4 个月进行1 次预防性维修，其所需费用对于规模中下的医院来说，是一笔很大的开支。

（3）培训不规范

智能手术机器人的培训暂由生产厂家委托供应商负责，但培训的内容却是以国外的标准为蓝本，相关的理论学习、设备的熟悉操作、模拟训练以及动物实验和临床实践等与我国的实际情况存在一定的差异；同时，由于国内没有相关的培训基地和资格认证措施，使得培训人员的数量、训练内容、实际操作质量等良莠不齐。

尽管智能手术机器人仍存在以上问题，但毕竟智能手术机器人正式应用于临床研究只不过十余年的时间，就已经极大地提高了手术的精度和准度，随着医学和科技的进步，智能手术机器人必将会逐步解决以上问题。并且会迎合手术外科发展的趋势，在设备的改进和技术的完善上获得更大的空间：①智能手术机器人更加低成本化、小型化、智能化、无创性、实用性。从而适用多种环境，更易操控，在现有“数字人体”的基础上，通过设计专门程序，实现机器人主动识别疾病所在，自动制定手术方案，经医师审定后，自动完成手术，实现疾病诊断，真正实现疾病诊断、手术的“全机器人化”；②智能手术机器人在未来将克服网络信号传送过程的延迟、中断、丢失和成本高昂等瓶颈，真正实现远程外科手术的设想。在不久的将来，外科医师无论身处何处都能及时的为需要帮助的患者提供高质量的医疗服务。

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