鼻内镜手术机器人的研究现状与展望

张 聪，何锐波，杨浩东，罗 辰，韦宇铖，陈俊瑞

（广西科技大学机械与汽车工程学院，广西柳州 545616）

0 引言

鼻内镜手术作为治疗鼻腔和鼻窦等相关疾病的重要技术手段，对于治疗鼻窦炎、鼻息肉、鼻出血、鼻窦肿瘤等疾病具有非常显著的效果[1-2]。传统的鼻内镜手术包括2 种手术方式：一种是外科医生1 只手使用内窥镜，另1 只手使用手术器械。但这种方式需要医生单手操作手术器械[3]，临床较少使用。另一种是医生助手握持内窥镜，医生可以双手操作手术器械。但长时间握持内窥镜会使医生助手产生肌肉疲劳和手部颤抖[4]，从而导致内窥镜图像发生颤动，无法稳定地提供手术视野。机器人技术在鼻内镜手术中的应用很好地解决了该问题[5-6]。机器人具有可重复性、精确性、稳定性和无疲劳性的特点，可以作为“第三只手”来代替医生助手稳定内窥镜[7]。机器人辅助鼻内镜手术显著减轻了医生的疲劳感，缩短了手术时间，提升了手术的稳定性、流畅性和安全性[8]。

首台内窥镜手术机器人问世至今已有30 多年[9]，智能化手术机器人技术逐渐成熟，但也存在一些不足之处。目前新一轮的科技革命已经开启，研究鼻内镜手术机器人对于推动我国现代医学的发展具有重要的战略意义[10-11]。本文对现阶段国内外鼻内镜手术机器人的发展现状进行系统综述，并对未来发展方向进行展望，以期为未来鼻内镜手术机器人的研发提供指导。

1 鼻内镜手术机器人研究现状

鼻内镜手术机器人提供了稳定的手术视野，提高了手术的精确性、稳定性和安全性，能够高效地辅助医生完成复杂的手术，一定程度上扩展了医生手术操作的能力[12]。以下将机器人按照主动式、主被动混合式和被动式3 种控制类型分别介绍典型的鼻内镜手术机器人，并对其优缺点进行分析和总结。

1.1 主动式鼻内镜手术机器人

1994 年，美国Computer Motion 公司研制出微创AESOP 手术机器人系统（如图1 所示）[13-14]，成为全球首个获得美国食品药品监督管理局认证的微创手术机器人系统。AESOP 系统作为最成熟的商业机器人系统之一，代表了自动内窥镜系统的最佳定位机器人[15-16]，能够主动定位内窥镜。AESOP 系统是一个串联结构的机器人，其有7 个自由度。虽然该系统的机构构型由传统结构演化而来，但其独创性在于实现了语音控制。2006 年，Nathan 等[17]使用AESOP 系统进行经鼻入路的鞍区手术实验，结果表明使用该系统经鼻入路进入鞍区[18-19]是可行的，手术时间也没有明显增加。然而，该系统只能对简单的语音命令做出反应，无法识别复杂的命令组合，而且内窥镜的运动轨迹规划没有经过碰撞测试[20]，不同的运动轨迹之间可能会出现相互冲突的情况。

图1 AESOP 手术机器人系统实物图及使用场景[13]

2002 年，Koseki 等[21]设计了用于鼻内镜手术的一个内窥镜机器人（如图2 所示）。该机器人使用了与MRI 相兼容的特殊材质。它是一个并联机器人，独创性在于其平面平行结构，与串行结构相反，该机构的执行器都在同一个平面上。鉴于大部分手术是在MRI 扫描仪通道的边缘区域完成的，该机器人由远端的执行器控制，使医生可以通过执行器在狭窄的MRI 扫描仪通道中平稳地移动或旋转内窥镜。该系统与MR 技术联合使用，可以得到MRI 与内窥镜图像的实时反馈和反向反馈，大大提高了经鼻手术的安全性。然而，如果在MR 扫描时移动内窥镜，则会产生很大噪声。此外，该系统体积较大，且不允许外科医生操作时接触患者的头部。

图2 MRI 兼容内窥镜机器人[21]

2008 年，Xia 等[22]将Stealth Station 导航[23]、六自由度力传感器的Neuro Mate 机器人系统（如图3所示）[24]和3D Slicer 可视化软件联合使用组成NeuroMate 机器人系统，并将该系统用于辅助颅底手术。NeuroMate 机器人系统是第1 个在欧洲获得CE认证的神经外科机器人设备，其由计算机控制台和1个具有5 个自由度的机械臂组成。该系统具有自动导航工作模式，外科医生可以使用3D 鼠标控制机械臂的移动。该系统在泡沫头骨和人体解剖标本头部上进行了经鼻蝶窦手术测试，验证了其合理性和适用性。该系统在影像导航上定义了3 种类型的区域：禁止区、边界区和安全区。在机器人靠近禁止区时会受到阻力，从而大幅度提高了系统的安全性。但由于存在初始放置精度、校准精度和运动学精度问题，会导致该系统存在约1 mm 的误差。该系统存在体积大、移动缓慢且术前配置校准时间较长等不足。

图3 NeuroMate 机器人系统[24]

2011 年，Fischer 等[25]与德国慕尼黑工业大学的MiMed 研究所联合研发了一种专门用于鼻内镜手术机器人系统（如图4 所示）。该系统采用双五杆联动的平行结构，有5 个自由度，由2 个远程操纵杆控制，可以稳定地调整内窥镜的平移、倾斜和旋转。该系统被安装在手术床上，体积小、操作简单且易于安装，仅2 min 即可完成安装。经试验，内窥镜可旋转和倾斜的角度仅有5°，平移距离也被限制在50 mm内[25]。因此，该系统存在工作空间受限的问题。此外，由于设计者未考虑内窥镜与主动器械之间的碰撞问题，使得医生在左侧上颌窦的手术区域中使用解剖器械时需要反手把持器械，这在一定程度上限制了医生的操作。

图4 鼻内镜手术机器人系统[25]

2011 年，Burgner 等[26]设计了一种用于鼻内镜手术的双手遥控机器人系统。该系统由1 个从动机器人和1 个主控制台组成（如图5 所示）。该系统采用了同心管技术，可以到达某些难以触及的解剖学部位。机器人末端装有微型机械手，可在鼻腔中灵活稳定地工作。医生通过主控制台的2 个触觉交互手柄实现对机器人的远程控制。末端的被动臂上装有内窥镜，用于提供手术视野。由于操纵手柄具有固定的机械结构，在一定程度上限制了进行某些复杂手术时操作的灵活性。该系统对医生的技术要求较高，医生可能面临手眼协调性的挑战。因此，医生需要花费大量时间和精力去学习和掌握该系统的使用。

图5 双手遥控机器人系统[26]

2011 年，Eichhorn 等[27]设计了一种名为TX 40 的机器人系统[28]（如图6 所示），用于辅助鼻内镜手术。与Xia 等[22]的机器人系统类似，该系统装配了Stealth Station 导航系统[23]并设置了特定的安全区域，当机械臂从安全区移动到禁止区会受到逐渐增大的阻力，提高了系统的安全性能。外科医生可以通过操纵杆调整导航图像自动跟踪手术器械尖端，通过视觉伺服控制将其保持在手术视野的中心。该系统的原型为工业机器人，体积庞大且移动不便。此外，在靠近机器人的一侧医生需要反手操作手术器械，一定程度上限制了医生的操作范围。

图6 TX 40 机器人系统[27]

2015 年，香港大学的Lin 等[29]针对功能性内窥镜鼻窦手术研发了一种内窥镜机器人系统。该系统由1 个五自由度的被动定位臂和1 个四自由度的主动操纵器组成（如图7 所示）。其独特之处在于通过医生脚部的运动来控制操纵器。医生的鞋上附着有陀螺仪单元[30]，可以实时测量医生脚部的运动，从而实现对操纵器的控制。该系统解放了医生的双手，使医生可以双手操作手术器械，但要求医生要对自己的脚部运动严格掌控，因为无意识的脚部运动可能会使内窥镜图像产生不必要的偏移。医生既要将集中精力于手术区域，又要对脚部姿势保持警惕，这会分散医生的注意力，使其不能对术野中正在进行的手术保持专注。

图7 脚控内窥镜机器人系统[29]

2017 年，Friedrich 等[31]设计了一个使用Medineering 公司定位臂的系统（如图8 所示）。它是一个具有7 个自由度的串联机器人，已经通过CE 认证用于耳鼻喉外科手术。该系统通过末端的机械手控制内窥镜的运动。手术过程中，其关节可以通过每段上的触摸垫在任意位置锁紧和释放。外科医生通过踩踏定制的脚踏板来定位和调节内窥镜姿态。该系统使用人体解剖标本进行了临床前的鼻内镜手术实验，对于鼻腔的各个部位都能够提供稳定的手术图像。与上述脚控内窥镜机器人一样，该系统也会大大增加对医生脚部运动的限制性要求，分散一部分医生注意力。此外，由于该系统没有实现内窥镜到达移动边界的反馈功能，在医生操纵内窥镜时可能会使患者受到意外伤害的风险增加。

图8 脚踏板控制内窥镜机器人系统[31]

2021 年，Choi 等[32]设计了一种颅底内窥镜手术机器人系统的原型（如图9 所示），用于鼻内经蝶窦颅底内窥镜手术。该系统包括操纵手柄、末端执行器、主设备、控制设备和用户操作平台。医生通过操纵手柄控制末端执行器，以引导柔性手术器械到达预定的手术位置。该系统具有较大的工作空间，在人体解剖标本上进行了临床前的鼻内镜手术实验，结果表明该系统具有较强的灵活性和稳定性，可以到达手术所需的解剖学位置。但外科医生反馈表明[32]，在期望的运动方向上操作主器械时会对其他自由度的操作产生干扰；手术期间需要医生手动支撑器械，容易导致医生疲劳；存在于手术中可能会损伤关键组织。

图9 鼻内经蝶窦颅底内窥镜手术机器人系统[32]

1.2 主被动混合式鼻内镜手术机器人

1999 年，德国Karl Storz 公司开发了一种TISKA内窥镜机器人（如图10 所示）[33]。该系统由电源装置、手术台附件、定位装置和套管适配夹具组成。该机器人的定位装置采用由脚踏板控制的电磁制动器切换关节的锁紧和放松，而内窥镜器械的平移和旋转采用机械夹具锁定。该机器人末端执行机构采用双平行四边形机构，确保内窥镜器械的入口点为稳定不动点[34]，对于鼻内镜手术具有良好的适用性，使医生更容易控制内窥镜的入路轨迹。但由于该机器人系统的机动性和灵活性较差，在用于额窦手术等复杂的手术时效果并不理想。

图10 TISKA 内窥镜机器人[33]

2004 年，Steinhart 等[35]研发了一种用于鼻旁窦手术的A73 机器人（如图11 所示）。该机器人由一个六自由度的关节型机械臂和操作杆组成，它被安装在一个手推车上，通过液压系统进行机械臂高度的控制。该机器人使用了图像导航技术，通过对比MRI图像，两者之间的相对误差小于1 mm，精度较高。该机器人具有一定的独立性，可以完全或部分自主地执行预先设定的任务，但是这种独立性在紧急情况下可能存在失控风险。此外，该机器人只能用于实施蝶骨相关的手术且机器人体积较大不便于储存和运输。

图11 A73 机器人[35]

2007 年，Strauss 等[36]研发了一种用于经鼻蝶窦手术的PA 10-6C 机器人系统（如图12 所示），该系统由六自由度机械臂、控制器、三维鼠标、六自由度力矩传感器、机器人连接板和内窥镜保持器等部件组成。该系统在人工鼻窦模型中进行了测试，可以用于进行全筛窦切除术并提供前颅底通路，验证了其在鼻内镜手术的适用性。导航模式下允许主刀医生同时使用双手进行手术，以便医生在紧急情况下随时切换到手动模式，在一定程度上提高了手术安全性。但该系统需要较长的术前配置校准和系统的学习，体积较大且不便于运输和储存。

图12 PA 10-6C 机器人系统[36]

2013 年，Trévillot 等[37]将EVOLAP 手术机器人（如图13 所示）[38]和VIPER机器人（如图14 所示）[39]进行了鼻内镜手术测试。EVOLAP 手术机器人是用于腹腔镜手术的机器人，VIPER 机器人是由美国Adept Technology 公司生产的具有串行架构的六自由度工业机器人，该团队对比了二者的优缺点，将二者结合并进行改进，研制出了适用于鼻内镜手术的HYBRID 手术机器人（如图15 所示）[37]。与EVOLAP手术机器人和VIPER 机器人相比，HYBRID 手术机器人更加稳定和安全，可以使内窥镜在鼻腔内平稳流畅地运动。但由于内窥镜旋转范围受限，导致其围绕轴线的旋转运动难以控制。

图13 EVOLAP 手术机器人[38]

图14 VIPER 机器人[39]

图15 HYBRID 手术机器人[37]

2015 年，德国AKTORmed 公司开发了Endofix Exo 内窥镜机器人（如图16 所示）[40]。该机器人已获得CE 认证，现已正式投放市场，专用于鼻内镜手术领域。Endofix Exo 机器人是使用操纵杆控制并具有流体致动器的五自由度串行机器人。该机器人由机械臂、控制器、按钮和内窥镜夹具组成。在临床前阶段，Kristin 等[41]在实验室进行了27 例鼻窦内窥镜检查实验，达到了所有手术要求的解剖学部位，包括难以进入的额窦。该机器人连接在手术台上，安装简单、成本低廉且容易消毒。然而，外科医生需要从术野中移开手术器械才能操纵内窥镜，而且其位置是固定的，如果患者移动，可能会增加受伤的风险。

图16 Endofix Exo 内窥镜机器人[40]

2019 年，Mago 等[42]开发了一种轻型内窥镜机器人（如图17 所示）。该机器人具有反向驱动能力，允许医生被动操作内窥镜。该机器人有2 种模式：自由模式和锁定模式。自由模式下，医生可以流畅地操纵内窥镜。当医生保持内窥镜3 s 不动时[42]，机器人会切换到锁定模式，控制器会将内窥镜精准地保持在锁定位置。一旦处于锁定模式，系统会自动切换为远程操作，医生可以通过端口向机器人发送指令，控制机器人的运动。该机器人具有较好的灵活性和较高的定位精度，可以应用于鼻窦手术。但机器人在锁定模式下，较大的摩擦力可能会导致动态精度出现问题。

图17 轻型内窥镜机器人[42]

1.3 被动式鼻内镜手术机器人

2005 年，德国Aesculap 公司开发了一种被动内窥镜Endofreeze 机器人（如图18 所示）[43]。该系统的机械臂由多个节段组成，通过气动锁紧的球关节连接在基座上。节段内部有钢丝穿过以固定机械臂的姿态，外科医生可以将机械臂自由拖动到预期位置，通过气动开关控制球关节的锁紧和放松。机器人末端的套筒可以连接手术器械，通过松紧螺钉来调节固定环的摩擦力以固定手术器械。该机器人结构紧凑、体积小、质量轻，灵活性较好，在鼻腔手术中可以较为方便地夹持内窥镜，外科医生可以自由拖动机械臂以调整内窥镜的位姿。但由于该机器人末端贴近手术部位，医生在同时使用其他手术器械时可能会发生不必要的干涉和碰撞。

图18 Endofreeze 机器人[43]

2008 年，日本Olympus 公司开发了一种被动内窥镜EndoArm 机器人（如图19 所示）[44]。该机器人由底座、支柱、手柄、铰接臂、平衡块和摄像头组成，采用气动反向锁定技术，提高了系统的稳定性和安全性。机器人末端机构占用的手术空间较小，因此手术部位的周围有较大的空间，医生可以同时操作其他手术器械且不易产生器械之间的干涉。Tosaka 等[45]进行了试验，表明该机器人可以应用于鼻内镜手术中，但是内窥镜和其他手术器械的运动可能会产生相互干扰。与其他被动式机器人相比，该机器人体积较为庞大且较为笨重，单个医生操作存在困难，需要助手辅助操作，且会占用较大的手术空间。此外，该机器人还存在关节释放速度缓慢的问题。

图19 EndoArm 机器人[44]

2009 年，德国Aesculap 公司生产了一种用于神经外科手术的M-TRAC 夹持机器人（如图20 所示）[46]。它是一种通过夹紧手柄进行机械锁紧的柔性夹持装置，可用于夹持各种手术器械。该机器人的末端具有小而灵活的接头，能够实现精确定位，并且可以进行高压灭菌。该机器人可与Neuropilot 显微操作器[47]配合使用，用以固定内窥镜、套管针等其他手术器械。该机器人体积小巧、方便安装，可以作为鼻腔手术中内窥镜的夹持器械，但从临床经验来看，该机械臂略显粗糙且在固定后偶尔会轻微地向下漂移。

图20 M-TRAC 夹持机器人[46]

2015 年，Sun 等[48]发明了一种被动式鼻内镜手术辅助机器人（如图21 所示）。该机器人由升降机构、定位臂和微调装置组成，采用负驱动气锁系统控制关节的锁紧和放松。该机器人的工作空间大，运动灵活，关节运动部位的密封性较好。体外动物实验表明，该机器人可以满足鼻腔手术的要求。但由于该机器人没有按照不动点机构的方式设计末端执行器，导致医生需要规划内窥镜进入鼻腔的路径，不断调整内窥镜的姿态，对医生手部的运动要求较高。

图21 被动式鼻内镜手术辅助机器人[48]

基于上文介绍的不同类型的鼻内镜手术机器人，分别对其特点及局限性进行了汇总，详见表1。

表1 典型鼻内镜手术机器人汇总

2 结语与展望

近年来，由于生态环境破坏导致的环境污染加剧和空气质量下降，使得有鼻部疾病的患者较多且发病率高。越来越多的医院通过引进机器人技术来辅助医生进行鼻内镜手术，因此对鼻内镜手术机器人的需求量也越来越大。现阶段的鼻内镜手术机器人的技术已逐渐成熟，但仍存在许多不足之处。综合上述鼻内镜手术机器人的研究现状，总结出鼻内镜手术机器人存在的主要问题如下：

（1）结构设计不合理。鼻腔是一个狭窄细长的自然通道，鼻内镜手术中的手术器械通过鼻孔进入鼻腔。一些鼻内镜手术机器人的结构设计并不合理，存在鼻内镜的运动范围受限以及同时操作其他手术器械时存在运动干涉等问题，这在一定程度上增加了患者受到意外伤害的风险。

（2）价格昂贵。鼻内镜手术属于微创外科手术，手术所需的费用一般较低[49]。而目前大多数鼻内镜手术机器人的价格较为昂贵，高昂的购置费用、培训费用和维护费用势必会大幅增加手术费用，增加了患者的经济负担。

（3）体积庞大。体积庞大的鼻内镜手术机器人需要更多的人力完成搬运和安装，且会占据较大的手术空间，一方面会限制医生的活动范围，另一方面会使机器人的灵活性和可操作性受到限制。

（4）缺乏触觉反馈机制。鼻腔组织的空间结构较为复杂，触觉反馈对于辅助医生识别检测鼻内镜手术中的潜在问题和异常情况至关重要。在手术中，医生可以通过触觉反馈感知到异常的组织结构和可能的出血情况。缺乏触觉反馈会使医生无法直观地感受到组织结构的硬度，从而使鼻窦壁组织硬化增厚等问题不容易被发现，一定程度上增加了手术的复杂性和潜在的风险。

鼻内镜手术机器人改变了传统的手术方式，具有广阔的应用前景[50]。研究鼻内镜手术机器人必须以解决实际问题为目的，以服务医生和患者为导向，最终才能给医生带来工作上的便利，给患者带来生活上的改善。鼻内镜手术机器人未来发展趋势如下：

（1）智能化。随着人工智能的高速发展，多模态感知[51]等智能技术将会不断融入到鼻内镜手术机器人中。视觉识别[52]和图像导航等技术的应用，能够帮助医生在复杂的鼻腔组织中精确定位手术区域，提高手术质量。姿态感知[53]、力反馈等技术能够使医生更直观地感受鼻腔组织的硬度和所施加的力度，提高手术的安全性。虚拟现实技术[54]能够模拟真实的鼻腔手术环境和鼻内镜手术机器人的运动轨迹，使医生能够更快地掌握机器人的使用流程和操作要点。

（2）小型化。采用模块化设计[55]能够减小鼻内镜手术机器人的体积，从而方便在手术室中移动和安装，使其更好地适应不同的手术环境。

（3）材料新型化。科研人员正在研发更轻巧紧凑的鼻内镜手术机器人，使用柔性材料或弹性材料等特殊材料的制造技术，可以更好地适应复杂的鼻腔结构。与硬质材料相比，柔性材料可以减少患者受到意外伤害的风险，缩短恢复周期。

（4）低成本化。新的制造技术、材料技术和工程设计等能够优化鼻内镜手术机器人的材料和结构，降低制造成本。采用模块化设计可以降低制造和装配难度，也可以更容易地对各个组件进行替换和升级，有助于降低研发和维护的成本[56]。价格低廉的鼻内镜手术机器人被更多的中小型医院购置和应用，提高普及率。

现阶段鼻内镜手术机器人仍存在许多不足之处，需要科研人员进行深入研究。随着医疗水平的不断提高，对手术质量的要求也更加严格，这促使科研人员对鼻内镜手术机器人不断进行优化创新。智能控制和高精度制造工艺等技术的不断进步为鼻内镜手术的发展提供了有利的技术支持。在科研人员的不断努力下，未来鼻内镜手术机器人系统将会更加完善。