作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，機(jī)器人在很多領(lǐng)域飛速發(fā)展，世界各國已經(jīng)研制成功了應(yīng)用于制造業(yè)、勘探、娛樂、軍事、醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域的種類繁多的智能機(jī)器人。醫(yī)療機(jī)器人尤其是應(yīng)用于外科領(lǐng)域的輔助手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點，使用機(jī)器人輔助外科手術(shù)將成為一種必然的發(fā)展趨勢。外科輔助手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)能夠充分利用醫(yī)學(xué)和工程學(xué)的各自優(yōu)勢，最大化人機(jī)協(xié)作能力，極大提高醫(yī)療的準(zhǔn)確性和保證治療的高質(zhì)量，促進(jìn)數(shù)字化外科的發(fā)展�，F(xiàn)結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)工程技術(shù)及臨床研究情況，就外科輔助手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展、研究與應(yīng)用現(xiàn)狀、共性關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展趨勢進(jìn)行簡要概述。

一、外科輔助手術(shù)機(jī)器人概述

    機(jī)器人能部分代替人類的活動，且與自然人相比有著巨大的優(yōu)勢。如醫(yī)師僅靠人工操作處理定量信息能力有限，且易受到輻射和感染的影響。機(jī)器人具有較高的集合運動精度、可穩(wěn)定運行且不會疲勞，處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，也不必?fù)?dān)心輻射與感染的影響，且滅菌方便。

    手術(shù)機(jī)器人借助計算機(jī)控制技術(shù)，施行靶點定位、藥物注入、損毀病灶等手術(shù)任務(wù)。目前，手術(shù)機(jī)器人的研究主要集中在外科手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人與護(hù)理機(jī)器人等方面，而使用最廣泛的是外科手術(shù)機(jī)器人。就目前的服務(wù)機(jī)器人與護(hù)理機(jī)器人等方面，而使用最廣泛的是外科手術(shù)機(jī)器人。就目前的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平，很難做到完全用醫(yī)療機(jī)器人代替醫(yī)師手術(shù)，只是提供了功能強(qiáng)大的操作工具以克服傳統(tǒng)的外科手術(shù)定位精度不高、手術(shù)時間過長、術(shù)者易疲勞與顫抖、缺乏三維醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航等技術(shù)缺陷。

    （一）使用機(jī)器人輔助外科手術(shù)的優(yōu)點

    1.準(zhǔn)確定位、微創(chuàng)操作：機(jī)器人的震顫過濾系統(tǒng)及動作縮減系統(tǒng)可將手術(shù)精度提高到亞毫米級。

    2.減輕醫(yī)師疲勞：避免人為因素帶來的意外損傷，大大提高手術(shù)安全性。

    3.增強(qiáng)靈巧性：多自由度的機(jī)械手增強(qiáng)醫(yī)師操作的靈巧性。

    4.直觀：機(jī)器人監(jiān)視系統(tǒng)傳出的三維圖給術(shù)者帶來更直觀的信息反饋。

    5.術(shù)前準(zhǔn)備充分：可進(jìn)行術(shù)前快速手術(shù)設(shè)計、仿真，實時地模擬手術(shù)過程，對術(shù)者進(jìn)行手術(shù)技能培訓(xùn)。

    6.醫(yī)療技術(shù)普及：可實現(xiàn)異地遠(yuǎn)程手術(shù)操作，有助于醫(yī)療技術(shù)的普及。

    （二）機(jī)器人輔助外科手術(shù)研究現(xiàn)狀與典型應(yīng)用

    由于外科輔助手術(shù)機(jī)器人在手術(shù)規(guī)劃、精確定位、微創(chuàng)手術(shù)、遠(yuǎn)程手術(shù)、虛擬手術(shù)仿真與培訓(xùn)、新型診療方案與智能手術(shù)器械等方面有獨特的優(yōu)勢，所以在微創(chuàng)外科、肝膽外科、骨科、口腔頜面外科、泌尿外科、心血管外科以及腔鏡外科等外科多領(lǐng)域的研究取得了重大進(jìn)展，并且也開始逐漸在臨床推廣應(yīng)用。

    目前微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器入主要應(yīng)用在泌尿外科、腹腔外科、胸腔外科等醫(yī)用領(lǐng)域。1987年法國醫(yī)生Mouret成功實施了世界首例腹腔鏡膽囊切除術(shù)。在20世紀(jì)后期，以腹腔鏡手術(shù)為代表的微創(chuàng)外科發(fā)展迅猛。1996年美國研制出Zeus機(jī)器人系統(tǒng)，主要應(yīng)用于微創(chuàng)傷手術(shù)（圖1）。美國醫(yī)師利用Zeus系統(tǒng)完成了著名的超遠(yuǎn)程膽囊摘除手術(shù)“林白手術(shù)”。2001年美國開發(fā)的DaVinci外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)（圖2），該系統(tǒng)是目前少數(shù)能商品化的外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，具有醫(yī)師控制平臺和各種手術(shù)器械、多功能手術(shù)床與圖像處理設(shè)備。該系統(tǒng)可為醫(yī)師提供同開放式手術(shù)一樣的直覺控制、運動范圍和組織處理能力，系統(tǒng)還具有自動糾錯功能，能克服醫(yī)師在操縱控制器時手臂的顫抖，避免出現(xiàn)錯誤操作。天津大學(xué)研制了“妙手”機(jī)器人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位也開展了類似的研究工作。北京理工大學(xué)等單位研制的超聲導(dǎo)航微波消融手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，由微波消融手術(shù)機(jī)器人、超聲圖像導(dǎo)航和定位三個子系統(tǒng)組成（圖3）。通過獲取肝臟特征組織圖像，并將當(dāng)前患者實體狀態(tài)與治療前獲得的三維超聲圖像和治療規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行配準(zhǔn)，按治療規(guī)劃的路徑控制機(jī)器人進(jìn)行定位穿刺，同時利用實時超聲圖像對治療規(guī)劃路徑進(jìn)行實時更新。

    圖1 Zeus機(jī)器人系統(tǒng)

    圖2 DaVinci外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

    圖3 微波消融手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

    1992年推出的商品化產(chǎn)品Robo Doc專用骨科機(jī)器人系統(tǒng)主要用于關(guān)節(jié)置換術(shù)中輔助骨骼和假體的成形、定位和置入。有研究表明由Robo Doc輔助完成的手術(shù)效果至少能達(dá)到傳統(tǒng)手術(shù)的水平，不需要漫長的學(xué)習(xí)過程并且在術(shù)前規(guī)劃中具有優(yōu)勢（圖4）。瑞典于20世紀(jì)90年代末利用臨床上廣泛使用的C型臂系統(tǒng)研發(fā)了PinTrace骨科手術(shù)專家系統(tǒng)，解決由術(shù)前CT掃描造成的長時間復(fù)雜配準(zhǔn)問題（圖5）。Spinebot機(jī)器人系統(tǒng)（圖6）可以輔助醫(yī)師完成對脊椎的鉆孔固定，完成病灶穿刺和手術(shù)導(dǎo)航等工作。此外典型的膝關(guān)節(jié)外科機(jī)器人還有Acrobot系統(tǒng)、Mars機(jī)器人系統(tǒng)、Crigos機(jī)器人等。

    圖4 專用骨科機(jī)器人系統(tǒng)-Roho Doe機(jī)器人系統(tǒng)

    圖5 骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)-PinTrare骨科手術(shù)專家系統(tǒng)

    圖6 骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)-Spinebot脊柱手術(shù)螺釘植入系統(tǒng)

    在顱頜面外科機(jī)器人方面，德國海德堡大學(xué)開發(fā)出用于顱頜面外科手術(shù)的機(jī)器人（圖7），該系統(tǒng)可用來插進(jìn)剛性的導(dǎo)管或在頭顱上種植骨支架。目前該系統(tǒng)已經(jīng)開展動物豬和尸體實驗，尚未應(yīng)用于臨床。北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院與北京理工大學(xué)等單位合作研制出國內(nèi)第一套顱頜面外科輔助手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)（圖8），實現(xiàn)術(shù)前手術(shù)設(shè)計與規(guī)劃、術(shù)中實時導(dǎo)航、機(jī)器人輔助定位把持以及術(shù)后評估。該系統(tǒng)包括術(shù)者操作臺和機(jī)器人手術(shù)臺，術(shù)者操作臺包括力反饋主控操作器、控制面板、三維立體圖像顯示系統(tǒng)及計算機(jī)控制系統(tǒng)。通過導(dǎo)航子系統(tǒng)將手術(shù)現(xiàn)場和術(shù)前手術(shù)規(guī)劃進(jìn)行配準(zhǔn)，進(jìn)而引導(dǎo)機(jī)械臂進(jìn)行手術(shù)操作。

    圖7 德圍顱頜面外科手術(shù)機(jī)器人

    圖8 顱頜面外科輔助手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

    1999年德國柏林自由大學(xué)的Neumann等通過使用電腦游戲操縱桿實現(xiàn)虛擬口腔頜面外科手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)的力反饋功能。2000年香港大學(xué)的Xia等開發(fā)了虛擬正頜外科手術(shù)模擬培訓(xùn)系統(tǒng)，操作者可操作虛擬的手術(shù)器械對虛擬的患者進(jìn)行手術(shù)（圖9），該系統(tǒng)的特點是可以為CT三維重建軟組織模型添加普通二維數(shù)碼照片紋理，從而得到具有高度真實感的顱頜面模型，并對軟組織變形進(jìn)行預(yù)測。2005年美國斯坦福大學(xué)開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實的唇腭裂手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時的軟組織變形計算與力反饋功能。

    圖9 VRSSOS虛擬正頜外科手術(shù)模擬培訓(xùn)系統(tǒng)

二、共性關(guān)鍵技術(shù)分析

    （一）機(jī)構(gòu)綜合與多性能指標(biāo)優(yōu)化

    設(shè)計機(jī)器人機(jī)構(gòu)首先必須滿足較高的安全性要求，其次在方便術(shù)者操作的基礎(chǔ)上滿足特定外科手術(shù)過程中的功能需求。從新型機(jī)器人的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、新型運動副、新型機(jī)構(gòu)支鏈等方面的研究入手，設(shè)計出具有冗余自由度的機(jī)器人機(jī)構(gòu)。同時要進(jìn)行機(jī)器人多性能指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)機(jī)器人靈活規(guī)劃、精確定位的目標(biāo)，提高機(jī)器人的剛度和靈活性。

    （二）工作空間分析與路徑規(guī)劃

    針對特定外科手術(shù)的醫(yī)療需求，對機(jī)器人進(jìn)行工作空間和路徑規(guī)劃分析？通過建立機(jī)械臂的運動學(xué)方程、設(shè)計軌跡規(guī)劃算法實現(xiàn)機(jī)器人平穩(wěn)、無振蕩運行，避免由于末端速度或加速度過大帶來的振動風(fēng)險。另外，機(jī)器人路徑規(guī)劃時需充分考慮手術(shù)空間避碰，在靈活工作空間內(nèi)實現(xiàn)高效率的無碰撞運動，提高手術(shù)效率避免干涉可能造成的手術(shù)風(fēng)險。

    （三）醫(yī)學(xué)圖像處理與機(jī)器人導(dǎo)航

    外科手術(shù)中需綜合利用CT、MR、B超等多種成像方法為術(shù)者提供不同方面的解剖結(jié)構(gòu)和功能影像信息。醫(yī)師需利用醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)與融合技術(shù)，把解剖圖像和功能圖像有機(jī)結(jié)合，使人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、功能信息、三維表面掃描模型等多元數(shù)據(jù)反映在同一幅圖像中，從而更加準(zhǔn)確直觀地為術(shù)者提供人體解剖、生理、病理等信息，為手術(shù)的規(guī)劃提供全面、精確、量化的人體信息模型。圖像處理子系統(tǒng)將標(biāo)定結(jié)果實時顯示在計算機(jī)屏幕上，并將標(biāo)定參數(shù)傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人自動根據(jù)外科手術(shù)操作的實際情況和實時標(biāo)定參數(shù)精確地完成定位，同時實時顯示機(jī)器人末端在術(shù)前三維頭部模型場景中的位置及詳細(xì)位姿信息，使術(shù)者全面掌握機(jī)器人末端所處位置的詳細(xì)解剖結(jié)構(gòu)信息，從而實現(xiàn)機(jī)器人手術(shù)的導(dǎo)航定位。

    （四）虛擬手術(shù)系統(tǒng)研究

    在外科手術(shù)前，建立精確的組織模型，用高度真實感的方式穩(wěn)定、逼真、實時地模擬手術(shù)過程，并將其中一些肉眼不易區(qū)分的必要特征顯著體現(xiàn)出來，同時模擬組織器官在手術(shù)器械的外力交互作用下變形的過程，提供逼真的手術(shù)現(xiàn)場感覺。應(yīng)用虛擬手術(shù)系統(tǒng)，術(shù)者能夠在虛擬的視覺與操作環(huán)境中進(jìn)行操作任務(wù)的預(yù)先演練，檢驗系統(tǒng)是否完善。同時可以利用虛擬手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)技術(shù)培訓(xùn)，以使術(shù)者熟練掌握手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的操作技巧。

    （五）醫(yī)療機(jī)器人的人機(jī)交互技術(shù)

    對機(jī)器人的操作由于缺乏有效的力反饋感知器件，目前主要集中在虛擬力反饋的研究，采用具有生物相容性的微小型力反饋器件實現(xiàn)醫(yī)師操作的真實力感知，是醫(yī)療機(jī)器人操控所共同面臨的關(guān)鍵技術(shù)，建立基于真實三維立體視覺反饋和力覺反饋的具有高保真度和穩(wěn)定性的醫(yī)師遙控操作臺是人機(jī)交互的重點演技內(nèi)容。此外，外科手術(shù)輔助機(jī)器人的人機(jī)交互系統(tǒng)，如何讓雙手忙碌、精神集中的術(shù)者方便而又有效地操控機(jī)器人是交互技術(shù)的難點，如何設(shè)計基于視覺、多種操作交互方式的醫(yī)師與機(jī)器人協(xié)同手術(shù)系統(tǒng)是技術(shù)的核心。

    （六）機(jī)器人安全監(jiān)控與控制

    機(jī)器人輔助外科手術(shù)的前提是必須保證人與機(jī)器人的絕對安全，所以必須研究機(jī)器人系統(tǒng)安全性機(jī)構(gòu)、多層自主安全監(jiān)控、碰撞檢測等安全性設(shè)計等共性關(guān)鍵技術(shù)，建立機(jī)器人安全性設(shè)計的技術(shù)體系與標(biāo)準(zhǔn)。同時需制定機(jī)器人安全性準(zhǔn)則、測試維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化流程、機(jī)器人危險等級鑒定標(biāo)準(zhǔn)和安全評估體系，為機(jī)器人輔助外科手術(shù)的應(yīng)用推廣做好準(zhǔn)備。

三、問題及展望

    在外科手術(shù)中引入機(jī)器人系統(tǒng)可以使手術(shù)建立在更精確、更穩(wěn)定和程序化、標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，減少人為因素和經(jīng)驗因素的影響，減輕醫(yī)師勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)降低操作難度、提高定位精度和手術(shù)質(zhì)量，以此保證整個治療的精確實施。

    但目前的機(jī)器人輔助手術(shù)也存在一些問題。由于軟組織易發(fā)生形變并且醫(yī)師的操作會改變原有的器官組織形態(tài)，使術(shù)前三維重建模型與術(shù)中患者器官的高精度配準(zhǔn)較為困難。此外，目前的醫(yī)療機(jī)器人操作時缺失力感，尚不能給術(shù)者帶來觸覺功能及高度的手術(shù)真實感。應(yīng)建立高仿真度組織器官物理模型以及基于解剖學(xué)人體組織特征的力反饋物理模型，以實現(xiàn)精確的力反饋，大大提高手術(shù)的現(xiàn)實感。

    此外還需要對機(jī)器人多性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以保證機(jī)器人滿足任務(wù)工作空間要求的同時，改善目前醫(yī)療機(jī)器人的剛度和靈活性問題。為確保患者及醫(yī)護(hù)人員的安全，醫(yī)療機(jī)器人應(yīng)該建立更加完善的安全監(jiān)控系統(tǒng)，對可能發(fā)生的異常情況，能夠自主或半自主地啟動安全防范系統(tǒng)。

    針對外科手術(shù)的醫(yī)療需求，立足于國內(nèi)外外科手術(shù)機(jī)器人研究的基礎(chǔ)和現(xiàn)狀，以機(jī)器人技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和控制理論為支撐，利用成熟的醫(yī)療機(jī)器人共性技術(shù)，突破系統(tǒng)專門技術(shù)，研制出更多經(jīng)濟(jì)實用的智能化外科手術(shù)機(jī)器人并應(yīng)用于臨床，可進(jìn)一步提高口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域數(shù)字化水平、加速新型醫(yī)療技術(shù)的普及推廣。

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本文標(biāo)題：機(jī)器人技術(shù)在外科輔助手術(shù)中的研究與應(yīng)用

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