医用机器人的历史、发展与技术浅析

2021-11-24王吉

商品与质量 2021年24期

王吉

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1 医用机器人的历史

首次有机器人参与的外科手术记录是在1985年，美国洛杉矶医院的医生使用Puma560完成了机器人辅助定位的神经外科脑部活检手术。但是Puma560是一款工业机器人，不能说是医用机器人，此时还没有医用机器人这个概念。但是这是一个具有划时代意义的开端。开创了手术机器人这一先河。20世纪80年代初，被誉为手术机器人之父的王友仑从加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）计算机工程专业毕业，1989年开始研究“伊索”（AESOP）—一种可由手术医师声控的“扶镜”机械手，以避免由于扶镜手生理疲劳所造成的镜头不稳定。1997年，伊索在比利时布鲁塞尔完成了第一例腹腔镜手术。伊索成为FDA批准的第一个微创手术机器人，认为是后续腹腔类手术机器人的鼻祖。1998年，伊索通过升级改造，进化成宙斯（ZEUS）。ZEUS与AESOP相比，增加了内窥镜系统，末端手术系统，控制主手系统等。通过患者腹部只有几个筷子粗细的小切口供内窥镜和机械臂出入即可完成手术，手术机器人的的优点微创极为突出。Intuitive Surgical公司在1999年研制成功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。达芬奇代表着当今手术机器人最高水平。达芬奇机器人由三部分组成：外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统。相比宙斯而言，达芬奇机械臂更多，范围更广。末端手术系统更加灵活。可以进行泌尿外科，妇科，腹部外科等多种手术。具有创伤小，更灵活，术后恢复快等优点。

2 医用机器人的分类和发展

从Puma560到达芬奇，可以看成是医用手术机器人的发展史。随着越来越多的机器人技术应用到医疗领域，逐渐形成了医用手术机器人概念。医用手术机器人一般可以分为手术类，康复类，辅助类。

手术类：以达芬奇为代表的，可以在医生的直接操作下或者是在软件的规划下，对人体进行手术或者是辅助医生手术。种类有达芬奇这样的腹腔类手术机器人还有骨科手术机器人，神经外科手术机器人，介入消融手术机器人等康复类：典型代表是外骨骼康复机器人，可以对人体进行上肢和下肢的康复训练以及辅助残障人士行走，除了外骨骼以外，还有细分的针对上肢或者下肢的康复训练器，也可以归于医用机器人范围内。

辅助类：如导诊机器人，配药机器人，还有新冠疫情期间的消毒机器人，核酸采集机器人等。都可以归为辅助类[1]。

医用机器人技术从开始的将工业机器人直接应用到后来的重新研发。经历从无到有的一个过程。国内也于2016年开始制定医用机器人的标准。目前有两个标准已经开始实施。目前医用机器人技术向两个方面发展，一是多元化，更多的医用机器人被研发出来，适用更多的手术。二是智能化，目前市场上的医用机器人是在医生的直接操作下或者是在医生的规划下工作。高度依赖医生，还不能完全替代医生。国外实验室已经在开展智能医用机器人研究工作，已经取得了一定的进展。三是远程化，随着5G的普及，实现了医用机器人的远程操作，这样一定程度解决了医疗资源不均衡的问题。比如北京的医生可以身在北京，却可以给西部地区的患者通过医用机器人的远程操作来做手术。

3 医用机器人技术浅析

3.1 医用机器人优点

医用机器人的优点有哪些？最主要的几点是更精准，创伤小，手术时间短。有人说人体是精密的仪器，但是有时跟机器人相比，人有很多的不足之处，这也是科学家研究医用机器人的初衷。以达芬奇为代表。传统的手术效果一般取决于医生的技术，但是任何医生在手术时不可避免遇到一个问题。人手会抖动，特别是长时间的手术，医生体力的消耗。但是利用医用机器人去手术，就可以消除人手的抖动问题。时手术器械更准确的进行手术[2]。

还有骨科（神经）外科手术中，如何准确的找到手术通道并保证手术准确，以往都是靠医生来判断。但是应用了医用机器人，机器人可以准确的找到通道并且能辅助器械准确进入组织。这样自然带来创伤小、手术时间短的优点。

3.2 医用机器人技术路线

如果说工业机器人是机械自动化的大成，那么医用机器人就是学科之间的完美融合。是医学和机械自动化的结合。医用机器人一般有以下几种技术路线：

遥操作手术，医生通过主手等操作端，直接操作机器人进行手术，机器人末端机器臂上安装有多种手术器械。典型代表达芬奇，宙斯。辅助导航类。手术还是需要医生操作。但是医生所需要的手术通道由机器人来提供。一直这样的通道是机器人在手术前通过三维重建等技术手段获得。典型代表有天智航，华科精准等公司的产品代替类。一般康复机器人采用此技术路线。医生根据患者情况将程序设置好，就可以对患者进行康复治疗。此时不需要医生。或者患者根据自身情况直接调用系统程序在家就可以进行康复治疗。

3.3 医用机器人技术难点

医用机器人是学科的融合，主要难点有标准的符合，材料的选择，更加严格的安全要求，更小的尺寸要求等。

标准的符合：开始是没有医用手术人的概念的，所以也没有相关标准。任何的医疗设备都需要相关机构的审批。所以如何使产品符合现有的相关标准这是一个难点。否则很难获得审批材料的选择，由于医用机器人是应用于手术室甚至是直接应用于人体，所以在材料的选择上一定要符合。这里涉及到很多的医用材料，如医用不锈钢，医用塑料，还有相关的粘接剂等等。

更加严格的安全要求：医疗设备的安全性相比工业机器人要求更严格，所以这需要在设计之初到生产制造要考虑和保证可靠性和安全性和若出现问题如何由医生现场补救等。

更小的尺寸要求：由于医用机器人应用场景在手术室，部分医用机器人需要进入人体（如腹腔类和介入类），那么医用机器人就需要更小的尺寸。不但是整体的外形尺寸需要紧凑，还需要一些微小部件，如达芬奇使用的传动钢丝绳只有0.45毫米。末端器械直径只有8毫米。对设计和加工都是一种挑战[3]。