作為機電一體化的典型產(chǎn)品，機器人在很多領域飛速發(fā)展，世界各國已經(jīng)研制成功了應用于制造業(yè)、勘探、娛樂、軍事、醫(yī)療護理等領域的種類繁多的智能機器人。醫(yī)療機器人尤其是應用于外科領域的輔助手術機器人已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點，使用機器人輔助外科手術將成為一種必然的發(fā)展趨勢。外科輔助手術機器人系統(tǒng)能夠充分利用醫(yī)學和工程學的各自優(yōu)勢，最大化人機協(xié)作能力，極大提高醫(yī)療的準確性和保證治療的高質(zhì)量，促進數(shù)字化外科的發(fā)展。現(xiàn)結合國內(nèi)外相關工程技術及臨床研究情況，就外科輔助手術機器人的發(fā)展、研究與應用現(xiàn)狀、共性關鍵技術、發(fā)展趨勢進行簡要概述。
一、外科輔助手術機器人概述
機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，也不必擔心輻射與感染的影響，且滅菌方便。
手術機器人借助計算機控制技術，施行靶點定位、藥物注入、損毀病灶等手術任務。目前，手術機器人的研究主要集中在外科手術機器人、康復機器人、服務機器人與護理機器人等方面，而使用最廣泛的是外科手術機器人。就目前的服務機器人與護理機器人等方面，而使用最廣泛的是外科手術機器人。就目前的科學技術發(fā)展水平，很難做到完全用醫(yī)療機器人代替醫(yī)師手術，只是提供了功能強大的操作工具以克服傳統(tǒng)的外科手術定位精度不高、手術時間過長、術者易疲勞與顫抖、缺乏三維醫(yī)學圖像導航等技術缺陷。
（一）使用機器人輔助外科手術的優(yōu)點
1.準確定位、微創(chuàng)操作：機器人的震顫過濾系統(tǒng)及動作縮減系統(tǒng)可將手術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，大大提高手術安全性。
3.增強靈巧性：多自由度的機械手增強醫(yī)師操作的靈巧性。
4.直觀：機器人監(jiān)視系統(tǒng)傳出的三維圖給術者帶來更直觀的信息反饋。
5.術前準備充分：可進行術前快速手術設計、仿真，實時地模擬手術過程，對術者進行手術技能培訓。
6.醫(yī)療技術普及：可實現(xiàn)異地遠程手術操作，有助于醫(yī)療技術的普及。
（二）機器人輔助外科手術研究現(xiàn)狀與典型應用
由于外科輔助手術機器人在手術規(guī)劃、精確定位、微創(chuàng)手術、遠程手術、虛擬手術仿真與培訓、新型診療方案與智能手術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域的研究取得了重大進展，并且也開始逐漸在臨床推廣應用。
目前微創(chuàng)外科手術機器入主要應用在泌尿外科、腹腔外科、胸腔外科等醫(yī)用領域。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。在20世紀后期，以腹腔鏡手術為代表的微創(chuàng)外科發(fā)展迅猛。1996年美國研制出Zeus機器人系統(tǒng)，主要應用于微創(chuàng)傷手術（圖1）。美國醫(yī)師利用Zeus系統(tǒng)完成了著名的超遠程膽囊摘除手術“林白手術”。2001年美國開發(fā)的DaVinci外科手術機器人系統(tǒng)（圖2），該系統(tǒng)是目前少數(shù)能商品化的外科手術機器人系統(tǒng)，具有醫(yī)師控制平臺和各種手術器械、多功能手術床與圖像處理設備。該系統(tǒng)可為醫(yī)師提供同開放式手術一樣的直覺控制、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。天津大學研制了“妙手”機器人，哈爾濱工業(yè)大學等單位也開展了類似的研究工作。北京理工大學等單位研制的超聲導航微波消融手術機器人系統(tǒng)，由微波消融手術機器人、超聲圖像導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)劃結果進行配準，按治療規(guī)劃的路徑控制機器人進行定位穿刺，同時利用實時超聲圖像對治療規(guī)劃路徑進行實時更新。
圖1 Zeus機器人系統(tǒng)
圖2 DaVinci外科手術機器人系統(tǒng)
圖3 微波消融手術機器人系統(tǒng)
1992年推出的商品化產(chǎn)品Robo Doc專用骨科機器人系統(tǒng)主要用于關節(jié)置換術中輔助骨骼和假體的成形、定位和置入。有研究表明由Robo Doc輔助完成的手術效果至少能達到傳統(tǒng)手術的水平，不需要漫長的學習過程并且在術前規(guī)劃中具有優(yōu)勢（圖4）。瑞典于20世紀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骨科手術專家系統(tǒng)，解決由術前CT掃描造成的長時間復雜配準問題（圖5）。Spinebot機器人系統(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導航等工作。此外典型的膝關節(jié)外科機器人還有Acrobot系統(tǒng)、Mars機器人系統(tǒng)、Crigos機器人等。
圖4 專用骨科機器人系統(tǒng)-Roho Doe機器人系統(tǒng)
圖5 骨科手術機器人系統(tǒng)-PinTrare骨科手術專家系統(tǒng)
圖6 骨科手術機器人系統(tǒng)-Spinebot脊柱手術螺釘植入系統(tǒng)
在顱頜面外科機器人方面，德國海德堡大學開發(fā)出用于顱頜面外科手術的機器人（圖7），該系統(tǒng)可用來插進剛性的導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，尚未應用于臨床。北京大學口腔醫(yī)學院·口腔醫(yī)院與北京理工大學等單位合作研制出國內(nèi)第一套顱頜面外科輔助手術機器人系統(tǒng)（圖8），實現(xiàn)術前手術設計與規(guī)劃、術中實時導航、機器人輔助定位把持以及術后評估。該系統(tǒng)包括術者操作臺和機器人手術臺，術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)及計算機控制系統(tǒng)。通過導航子系統(tǒng)將手術現(xiàn)場和術前手術規(guī)劃進行配準，進而引導機械臂進行手術操作。
圖7 德圍顱頜面外科手術機器人
圖8 顱頜面外科輔助手術機器人系統(tǒng)
1999年德國柏林自由大學的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培訓系統(tǒng)的力反饋功能。2000年香港大學的Xia等開發(fā)了虛擬正頜外科手術模擬培訓系統(tǒng)，操作者可操作虛擬的手術器械對虛擬的患者進行手術（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，并對軟組織變形進行預測。2005年美國斯坦福大學開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實的唇腭裂手術培訓系統(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虛擬正頜外科手術模擬培訓系統(tǒng)
二、共性關鍵技術分析
（一）機構綜合與多性能指標優(yōu)化
設計機器人機構首先必須滿足較高的安全性要求，其次在方便術者操作的基礎上滿足特定外科手術過程中的功能需求。從新型機器人的拓撲結構、新型運動副、新型機構支鏈等方面的研究入手，設計出具有冗余自由度的機器人機構。同時要進行機器人多性能指標優(yōu)化設計，實現(xiàn)機器人靈活規(guī)劃、精確定位的目標，提高機器人的剛度和靈活性。
（二）工作空間分析與路徑規(guī)劃
針對特定外科手術的醫(yī)療需求，對機器人進行工作空間和路徑規(guī)劃分析？通過建立機械臂的運動學方程、設計軌跡規(guī)劃算法實現(xiàn)機器人平穩(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險。另外，機器人路徑規(guī)劃時需充分考慮手術空間避碰，在靈活工作空間內(nèi)實現(xiàn)高效率的無碰撞運動，提高手術效率避免干涉可能造成的手術風險。
（三）醫(yī)學圖像處理與機器人導航
外科手術中需綜合利用CT、MR、B超等多種成像方法為術者提供不同方面的解剖結構和功能影像信息。醫(yī)師需利用醫(yī)學圖像配準與融合技術，把解剖圖像和功能圖像有機結合，使人體內(nèi)部的結構、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，從而更加準確直觀地為術者提供人體解剖、生理、病理等信息，為手術的規(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)將標定結果實時顯示在計算機屏幕上，并將標定參數(shù)傳遞給機器人，機器人自動根據(jù)外科手術操作的實際情況和實時標定參數(shù)精確地完成定位，同時實時顯示機器人末端在術前三維頭部模型場景中的位置及詳細位姿信息，使術者全面掌握機器人末端所處位置的詳細解剖結構信息，從而實現(xiàn)機器人手術的導航定位。
（四）虛擬手術系統(tǒng)研究
在外科手術前，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器械的外力交互作用下變形的過程，提供逼真的手術現(xiàn)場感覺。應用虛擬手術系統(tǒng)，術者能夠在虛擬的視覺與操作環(huán)境中進行操作任務的預先演練，檢驗系統(tǒng)是否完善。同時可以利用虛擬手術系統(tǒng)進行手術技術培訓，以使術者熟練掌握手術機器人系統(tǒng)的操作技巧。
（五）醫(yī)療機器人的人機交互技術
對機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)療機器人操控所共同面臨的關鍵技術，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交互的重點演技內(nèi)容。此外，外科手術輔助機器人的人機交互系統(tǒng)，如何讓雙手忙碌、精神集中的術者方便而又有效地操控機器人是交互技術的難點，如何設計基于視覺、多種操作交互方式的醫(yī)師與機器人協(xié)同手術系統(tǒng)是技術的核心。
（六）機器人安全監(jiān)控與控制
機器人輔助外科手術的前提是必須保證人與機器人的絕對安全，所以必須研究機器人系統(tǒng)安全性機構、多層自主安全監(jiān)控、碰撞檢測等安全性設計等共性關鍵技術，建立機器人安全性設計的技術體系與標準。同時需制定機器人安全性準則、測試維護標準化流程、機器人危險等級鑒定標準和安全評估體系，為機器人輔助外科手術的應用推廣做好準備。
三、問題及展望
在外科手術中引入機器人系統(tǒng)可以使手術建立在更精確、更穩(wěn)定和程序化、標準化的基礎上，減少人為因素和經(jīng)驗因素的影響，減輕醫(yī)師勞動強度，實現(xiàn)降低操作難度、提高定位精度和手術質(zhì)量，以此保證整個治療的精確實施。
但目前的機器人輔助手術也存在一些問題。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)，使術前三維重建模型與術中患者器官的高精度配準較為困難。此外，目前的醫(yī)療機器人操作時缺失力感，尚不能給術者帶來觸覺功能及高度的手術真實感。應建立高仿真度組織器官物理模型以及基于解剖學人體組織特征的力反饋物理模型，以實現(xiàn)精確的力反饋，大大提高手術的現(xiàn)實感。
此外還需要對機器人多性能指標進行優(yōu)化設計，以保證機器人滿足任務工作空間要求的同時，改善目前醫(yī)療機器人的剛度和靈活性問題。為確保患者及醫(yī)護人員的安全，醫(yī)療機器人應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)。
針對外科手術的醫(yī)療需求，立足于國內(nèi)外外科手術機器人研究的基礎和現(xiàn)狀，以機器人技術、計算機技術和控制理論為支撐，利用成熟的醫(yī)療機器人共性技術，突破系統(tǒng)專門技術，研制出更多經(jīng)濟實用的智能化外科手術機器人并應用于臨床，可進一步提高口腔醫(yī)學領域數(shù)字化水平、加速新型醫(yī)療技術的普及推廣。
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本文標題：機器人技術在外科輔助手術中的研究與應用
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