手术机器人导航与控制技术研究综述

王培企

摘 要：随着手术复杂程度的不断提高和相关技术的不断进步，手术机器人得到了广泛应用，并取得了良好的效果。导航与控制技术是手术机器人的核心技术，本文通过对多种手术机器人的技术分析，从计算机视觉、机器人定位、虚拟仿真手术、实时导航与实现虚拟与现实交互等相关关键技术进行了阐述分析，最后对当前面临的主要问题和今后的发展方向进行了总结。

关键词：手术机器人；计算机视觉；虚拟仿真手术；实时导航

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）11-0057-03

1 引言

随着社会物质生活水平的不断提高和日趋复杂多样的临床需求，手术复杂程度不断增加、要求也越来越高。传统基于手工操作的手术模式不仅需要熟练的技术和丰富的临床经验，同时手术时间长、工作量大，不可避免地导致人员疲劳，轻则影响手术效果、重则导致医疗事故。随着计算机技术、图像处理、精密仪器等技术的不断进步，国内外研究团队将医疗需求和工程科学的技术进步相结合，改变单纯依靠医生经验进行诊断、治疗和手术的传统模式，研制了多种不同类型的手术机器人，完成/辅助完成传统方法难以完成的复杂诊断和手术。这既有效提高了手术效率和精度，又减轻了劳动强度、降低了手术风险；同时，手术机器人也有助于降低医务工作者的劳动风险，可有效避免医生在放射条件下工作的风险及手术中被感染的概率。随着技术的不断革新与发展，已经多种手术机器人投入临床手术应用中。手术机器人的出现促进了相关技术的进步，它不再单纯依赖医生经验，同时对病情检测与数据获取更加规范，这大大促进了相关医疗技术的发展。手术机器人的产生及临床应用，不仅是科学技术提高人民健康水平的具体应用，满足了全社会日益增长的医疗需求，同时也具有极高的商业价值。

截至2014年底，美国Intuitive Surgical公司的达芬奇手术机器人系统装机达3266台，国内引入价格高达2000万元。手术机器人系统不只具有广大的销售市场，更存在能改变医疗行业规则的潜力，是未来医疗领域布局的重要战略性仪器设备。我国将在手术机器人热潮中迎来重要发展机会。我国目前市场达到8.5亿，到2018年将达到15.7亿。近年来，国内相继出台了支持高新医疗器械研发的相关政策，国内高等院校、科研机构和相关企业取得了多项技术突破与研究成果，我国将有望打破手术机器人进口垄断的局势。构建涵盖，从研制、生产、销售、耗材与保养、技术支持与售后服务等方面的手术机器人全产业链体系。

本论文主要针对手术机器人领域中的导航与控制技术的相关研究现状、关键技术、技术难点等进行详细论述。

2 手术机器人概述

2.1 手术机器人的发展

手术机器人的主要代表产品如表1所示。

（1）第一台真正的医疗机器人——ROBODOC。由美国IBM Thomas J.Watson研究中心和加利福利亚大学联合成立的Integrated Surgical Systems于1992年推出手术机器人ROBODOC[1]，并被FDA认可通过。该机器人可完成全髋骨替换、髋骨置换及修复和膝关节置换等手术，髋关节置换过程中，它对股骨的调整精确度达到96%，而医生手工操作的精确度只有75%[2]。（2）第一台商业化的手术机器人——AESOP。AESOP是由美国Computer Motion公司开始研发的伊索系列机器人[3-4]。王友仑在 1989 年开始研究“伊索”（AESOP），并于1997年研制成功。該机器人可以模仿人手臂功能，实现声控设置，辅助人员无需手动控制内窥镜，提供比人为控制更精确一致的镜头运动，为医生提供直接、稳定的视场。（3）远程手术机器人ZEUS与后起之秀Da Vinci。Computer Motion推出的ZEUS机器人是外科史上继微创技术及电脑辅助应用后的第三次变革，引入了远程手术的概念。2001年，完成了医师与患者异地的胆囊摘除手术。达芬奇手术机器人是目前全球最成功及应用最广泛的手术机器人[5-6]，代表着当今手术机器人最高水平，它主要由医生控制系统、三维成像视频影像平台和拥有机械臂、摄像臂和手术器械构成的移动平台等三部分组成。实施手术时，主刀医师通过三维视觉系统和动作定标系统操作控制，由机械臂与手术器械模拟完成医生的技术动作和手术操作。截止2010年，达芬奇微创手术机器人已推出已在全世界装机1752台，已经成功开展了25万多例机器人手术。

2.2 主要研究机构

手术机器人主要研究机构[7]主要有麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室医学视觉组、斯坦福大学图像导航实验室、卡耐基梅隆大学与西宾夕法尼亚医院合作的医学机器人与计算机辅助外科手术研究中心、哈佛医学院与Brigham and Womens Hospital医院的外科手术规划实验室、霍普金斯大学国家科学基金工程中心的计算机集成外科手术系统与技术组等。其中，美国麻省理工学院、哈佛医学院等高校取得了较大的理论研究成果。另外，通用医疗、飞利浦、西门子、美敦力、Brain Lab、东芝等医疗器械厂商纷纷推出了自己的手术机器人产品。

2.3 手术机器人面临的主要问题

虽然手术机器人有着诸多优点与巨大潜力，但仍受技术条件制约。手术机器人价格较高，达芬奇手术机器人采购费用在1700万人民币左右[8]，且使用成本较高，部分器械属手术耗材，每例手术平均耗材费用约2万元。其次，系统复杂，医务工作者需要花费一定时间才能完全掌握。“导航与控制技术”是手术机器人的关键技术瓶颈，同时也是手术机器人的核心技术，存在以下几个难点[9]：

（1）机器人作业范围有限，容易进入死机状态；需要有效提高其作业范围，提高导航能力。（2）为了减少手动控制，系统误差也会不可避免的增大。（3）由于双手不直接接触手术部位，缺乏触觉反馈，无法判断质地、弹性、有无搏动等性质。（4）手术机器人改变了医生业已习惯的手术流程，对操作医师的计算机应用技巧、外语水平以及影像学知识等要求较高，技术门槛较高，操作较复杂。

3 手术机器人导航与控制技术分析

3.1 手术流程

手术的整体流程如图1所示，传统手术和机器人手术均需要首先对病患处进行数据采集，医生根据病人情况，结合临床经验制定手术计划，然后直接施行手术。与传统手术不同[10]，手术机器人最大优点是通过三维重建技术进行手术方案模拟，制定最合理方案，通过定位导引与实时导航进行手术，最后进行术后评估。

3.2 视觉技术

（1）机器视觉技术发展。导航与控制技术是手术机器人的核心技术，视觉技术是导航技术的关键。典型机器人视觉系统包括光源、数字图像采集与处理系统、智能决策与控制执行系统等。机器人视觉系统分为三代[11-12]。第一代主要功能为图像采集与处理，功能简单；第二代有一定的学习自适应能力；第三代采用高速图像处理芯片，具有一定的人工智能和机器学习能力[13-14]。（2）计算机视觉。计算机的视觉可分为两种，一种只需要图形的被动方法，另一种则需要控制光源进入特定环境进行主动的获取。与被动的获取不同，主动获取通过自身光源创造自己所需的拍摄环境。以ToF（Time of flight）相机为例，采用肉眼不可见的红外照明，通过光线反射时间从而计算深度，从而通过像机获取实时图像及三维深度信息。ToF相机在医学的内镜等领域有极为广泛的应用。（3）视觉定位技术。常规腹腔镜图像分辨率可达到1920×1080像素，图像分辨率高，可满足常规手术的需要[15]。然而，二维成像技术难以满足日益提高的手术精度要求。二维成像技术由于在透视投影变换中消去了深度信息，可能导致对一些重要的生理解剖结构等视觉错觉，影响手术安全。二维成像技术的不足促进了三维成像技术的发展。达芬奇手术机器人成像系统[16]采用高分辨率三维内窥镜，能为医生提供患者体腔内三维高清实时图像，从而更方便高效地完成手术，提升了手术精度。

立体视觉通过利用多幅二维图像恢复物体三维空间的位置与形状，是三维重建技术的主要方法[17]。双目立体视觉系统模仿人类眼睛的成像原理，从不同视觉角度观察同一物体的立体视觉系统[18-19]。双目立体视觉定位系统通过两个不同摄像头进行图像采集确定像机的相位位置和姿态，完成系统标定，然后求出空间点在两幅图像间的对应关系，从而可根据双目视觉原理对匹配好的特征点进行三维重建，最终得到三维场景模型。

3.3 虚拟仿真

医生可借助相关软件通过对获取的三维图像和三维场景进行多次虚拟手术，得到最佳解决方案。这些软件包括Mimics和Dolphin Imaging等，它们提供了三维分析、模拟截骨手术、模式识别与转换等诸多功能，Dolphin等软件甚至可以通过相关算法使用彩色增强图像的真实感与渲染感，方便医生制定更完备具体的手术计划。

3.4 实时导航系统

手术实时导航系统目前被广泛应用于脊髓科，骨科，神经科，牙种植外科等医学领域，也被应用于术后创伤回复等方面。手术导航系统主要流程：将CT等设备获取的人体数据与医生拟定的手术计划装订至导航计划软件中，一般可将预定标识或牙齿、骨头等作为参考点标记三维重建场景中；通过这些参考点，可建立虚拟图像与病人实体间的对应关系；最后通过参考点对实际手术与虚拟手术进行匹配验证和导引。

3.5 虚拟与现实的联系

手术仿真系统工作模式表2所示，手术仿真系统可分为离线仿真式、主从操作式以及监控式[20]。

4 结语

手术机器人导航与控制技术面临的主要问题：（1）受到图像处理与目标识别技术的限制，在处理大分辨率图像或者复杂背景特征提取时，图像处理实时性较差和特征识别成功率较低，不能有效快速地识别目标。（2）标定结果误差、软硬件干扰均会导致视觉系统误差增大[21]，影响手术效果。

以下几点是今后一段时期内手术机器人发展的重要突破方向：（1）降低制造成本及使用维护成本，使手术机器人更加普遍的投入应用；（2）简化手术机器人复杂的结构设计，简化操作步骤，使医生使用更加方便。（3）小型化与远程化，设备体积更小、易于运输，远程手术技术更加成熟；（4）智能化，具备一定的人工智能，对医生的相关操作进行预测、评估与告警。

参考文献

[1]王成勇，谢国能，赵丹娜，等.医疗手术机器人发展概况[J].工具技术，2016（07）：3-12.

[2]沈鹏.护士助手机器人导航与控制技术研究[D].哈尔滨工程大学，2006.

[3]師云雷.大延迟环境下远程微创手术机器人系统设计与实验研究[D].天津大学，2014.

[4]殷世平，徐芬华，黄霞萍.机器人辅助手术系统在腹腔镜手术中应用的配合体会[J].齐鲁护理杂志，2005（14）：1265-1266.

[5]陈光富，王希友，张旭.达芬奇手术机器人系统在泌尿外科的临床应用及其评价[J].微创泌尿外科杂志，2013（04）：227-231.

[6]杜志江.达芬奇手术机器人系统技术分析[J].机器人技术与应用，2011（04）：14-16.

[7]马文娟.红外手术导航仪关键技术研究[D].上海交通大学，2010.

[8]杜祥民，张永寿.达芬奇手术机器人系统介绍及应用进展[J].中国医学装备，2011（05）：60-63.

[9]邵长锋.微创手术机器人控制程序设计与研究[D].武汉理工大学，2005.

[10]Lin H H， Lo L J. Three-dimensional computer-assisted surgical simulation and intraoperative navigation in orthognathic surgery： A literature review.[J].Journal of the Formosan Medical Association = Taiwan yizhi，2015（4）：300.

[11]王连朝.微创手术机器人视觉定位系统的研究[D].武汉理工大学，2006.

[12]Mirota D J， Ishii M， Hager G D. Vision-Based Navigation in Image-Guided Interventions[J].Annual Review of Biomedical Engineering，2011（13）：297-319.

[13]钟玉琢.机器人视觉技术[M].国防工业出版社，1994.

[14]唐向阳，张勇，李江有，等.机器视觉关键技术的现状及应用展望[J].昆明理工大学学报（自然科学版），2004（2）：36-39.

[15]嵇武.三维立体（3D）腹腔镜的研究与应用进展[J].中国微创外科杂志，2016（06）：481-484.

[16]张伟.达芬奇机器人手术系统——原理、系统组成及应用[J].中国医疗器械信息，2015（03）：24-25+33.

[17]刘佳音，王忠立，贾云得.一种双目立体视觉系统的误差分析方法[J].光学技术，2003（3）：354-357.

[18]方茜.微创手术机器人双目立体视觉的图像特征匹配技术研究[D].长沙理工大学，2013.

[19]蔡钦涛.基于图像的三维重建技术研究[D].浙江大学，2004.

[20]张峰峰.机器人辅助骨科虚拟手术系统研究[D].哈尔滨工业大学，2009.

[21]张培.面向图像采集的后处理关键模块设计[D].东南大学，2014.