醫用外科機器人應用和研究進展

桂海軍 綜述 張詩雷 沈國芳 審校

醫用外科機器人應用和研究進展

桂海軍 綜述 張詩雷 沈國芳 審校

機器人技術的發展推動外科手術模式產生革命性的變化，目前研究主要集中于腦神經外科、整形外科、骨科等領域，已顯示出良好的社會和經濟價值。為促進我國醫用外科機器人技術的研究和發展，結合國內外典型外科手術機器人的研究和應用狀況，就外科機器人所涉及的手術機器人系統結構和發展前景進行綜述。

醫用機器人 計算機輔助手術 遠程手術 圖像處理

自1959年“機器人之父”Joe Engelberger研制出世界上第一臺工業機器人以來[1]，機器人歷經半個世紀的發展，已經在工業、農業、航天、軍事、家庭、服務等各領域得以廣泛應用并展現巨大的社會及經濟價值[2]。為了解決傳統外科手術存在的精度不足、切口較大、輻射較多、操作疲勞等問題，人們開始探討如何將機器人技術引入外科手術領域，借助機器人、傳感器、控制器等技術的自身優勢，為外科醫生提供全新的方法及系統，以解決上述問題，改善手術效果。

1 外科機器人系統結構概述

醫用外科手術機器人系統，其系統構架遵循建模、規劃和執行3個原則。建模階段完成圖像采集、處理和分析，規劃階段確定手術方案，執行階段是借助手動或自動化器械及設備輔助醫生實現手術方案。醫用外科手術機器人系統整合了智能器械（機器人）與自動控制技術，能夠以成像設備和傳感器等為工具，直接或者間接地引導操作實現手術微創。

1.1 輔助規劃導航子系統

隨著圖像學技術、計算機技術的發展，人們開始能夠利用二維影像重構三維圖像，重構的三維圖像和手術器械跟蹤技術相結合，形成了計算機輔助規劃導航系統。這類系統通常用于術前規劃模擬和術中導航，不直接參與手術操作，具有極好的安全性，被醫生普遍接受，目前已廣泛用于臨床，并形成產品。基于CT數據進行三維重建的技術出現于上世紀70年代。Vannier等[3]進行了相關的大量的研究，將患者術前的數字化掃描信息傳輸到計算機工作站，經過三維重建，圖像配準和融合等，在此基礎上進行術前計劃并模擬手術。1987年，Kelly等[4]開發了一套機器人輔助神經外科手術的系統，即Mayo Clinic System。該系統將CT、MRI及DSA結合，通過對腫瘤的三維重建來對目標進行計算，并對439名患者進行了447次的立體定向穿刺活檢。Vannier和Kelly等利用CT/MRI/DSA信息進行三維重組和圖像引導輔助手術規劃和模擬的工作具有一定的開創意義。目前的計算機輔助規劃導航系統主要有兩種：一是基于機械臂定位儀的系統，典型代表是加拿大ISG公司推出的觀察棒Viewing Wand[5]，該系統就是基于CT圖像和機械臂進行手術干預的。該系統采用了基于解剖學特征的圖像空間和手術空間的映射方法，在器械跟蹤上開發了一個專用的多關節“數字式”機械臂，在常規應用中，該系統的典型精度為2～3 mm，在無框架立體定位活檢中，精度可達1 mm。在發達國家，Viewing Wand已獲得較為廣泛的臨床應用,它對于組織活檢、手術引導、腫瘤的定位和切除等具有重要的意義；二是基于光學定位儀的系統，目前最常用的是紅外線視覺跟蹤系統，典型代表是史塞克公司的Stryker-Leibinger導航系統[6]，該系統采用了基于標記點的圖像空間和手術空間的映射方法，標記點在手術前被置于病人身上，在器械跟蹤上采用紅外光學跟蹤機制，將示蹤器置于骨或手術器械，另一個重要組件是帶有光學傳感器的相機，它可以接受來自示蹤器的紅外線信號，然后經過三角測量，獲得示蹤器的相對空間位置。

國內也報道了基于CT的三維手術仿真平臺的建立，2005年上海交通大學和上海第二醫科大學合作開發的三維手術仿真平臺可以進行牙頜面畸形的診斷，術前預測及模擬，從而使正頜外科手術更為精確[7]。2003年，第四軍醫大學的龔振宇等[8]用螺旋CT數據資料建立起顱面三維模型，并進行了整形手術的計算機輔助設計，為顱頜面畸形損傷腫瘤的診斷和治療提供了重要依據。

1.2 輔助操作子系統

目前導航系統已經在臨床廣泛使用，其導航精度可達到0.3 mm級別，而由于手術操作中人為及工具操作誤差的存在，實際操作中難以完全實現導航效果。輔助操作子系統主要是針對這樣的問題，利用機器人操作精度高的特點來實現提高手術質量的目的。輔助操作子系統的代表是用于無水泥全關節置換手術的機器人輔助系統，系統的結構主要由輔助規劃系統、輔助操作機器人和安全檢測系統3部分組成。根據輔助操作機器人自動化的程度，外科機器人輔助操作子系統可大致分為3類：①自主系統，即機器人根據預設的程序執行手術操作或通過編程獨立完成操作，典型代表是RoboDoc機器人系統。基于輸入的數據和程序，RoboDoc可以進行手術規劃，并且使用專門的鉆頭完成骨骼處理。②主從（遠程手術）系統，通過設計人機交互界面，機器人輔助操作系統執行術中術者的操作指令，典型代表是ZEUS機器人系統，通過設計主從手，醫生操作主手手柄，并通過控制臺上的顯示器觀看由內窺鏡拍攝到的病人體內情況，從手由兩個機械臂和一個控制內窺鏡的機械臂組成。遙操作系統是將術者的操作信息數據化后，通過網絡傳輸，實現遠程操控機器人執行手術操作。③被動系統，非自動化設計，僅傳遞術者的手部動作，目前僅應用于常規手術中，典型代表是瑞士推出的Medvision系統[9]，醫生利用該系統進行全膝關節置換術時，無需術中CT等影像學導航，術者在直視下操作機械臂進行操作，具有較好的靈活性和安全性。

2 外科機器人技術發展歷程概述

2.1 基于工業機器人平臺的外科機器人技術

早期的外科機器人系統大都采用工業機器人平臺。1985年，Kwoh等[10]報道了第一例醫用機器人，該小組利用Puma 200工業機器人完成了腦部腫物活組織穿刺中探針的導向定位，結果顯示機器人操作不僅明顯快于手動調試操作，且使穿刺定位精確度得以明顯提高。1989年，英國的皇家學院機器人技術中心利用實驗室改進的6自由度Puma機器人順利實施了前列腺切除術，手術時間比傳統手術時間明顯縮短[11]。CASPAR（計算機輔助手術規劃和機器人系統）是一個類似的系統，它采用的是Stabuli RX 90工業機器人，可以進行全髂或全膝關節置換術中的骨骼磨削和前交叉韌帶重建術的隧道入點定位，磨削精度可達0.1 mm[12]。

國內學者在醫用機器人方面也進行了相關的研究。自1995年起，北京航天航空大學和解放軍海軍總醫院合作開發了基于虛擬現實的機器人輔助神經外科系統，并于1997年聯合研制了第一代基于Puma 262工業機器人的腦外科機器人輔助定位系統CRAS[13]，并成功開展了臨床應用，填補了我國醫用機器人研究的空白，目前該系統已開發到第五代[14-15]，手術的自動化程度、精確度、安全性都得到顯著改善。該系統于2005年取得了神經外科機器人系統的臨床許可證，并進入了北京市的醫保項目。目前，該系統已經推廣到20多家醫院，成功完成了5 000多例神經外科立體定向臨床手術。2002年，哈爾濱工業大學研制了基于Motoman工業機器人的骨折手術治療機器人試驗平臺[16]。這些研究和應用大大促進了我國醫用機器人事業的建立和發展，豐富了外科手術的治療理念和手段。但是，這些工作大都是基于工業機器人平臺，由于機器人設計之初的理念及作用不同，應用于臨床還是存在很大的限制。

2.2 專用外科機器人技術

專用外科機器人出現于上世紀80年代后期。1987年，美國ISS公司推出了NeuroMate機器人系統，采用機械臂和立體定位架來完成神經外科立體定向手術中的導向定位，并于1999年推出了無框架版本，大大減輕了手術創傷[16-18]，獲得了美國FDA的認證。1988年，加利福尼亞大學的Davis和MB公司合作，將SCARA機器人進行改進，在末端操作器上裝配鉆頭和6自由度壓力傳感器來進行切削和調校，通過視覺系統保證切削手術的安全性[19-20]，開發出第一臺可用于髂骨置換手術的機器人。1991年，研制了第一臺用于臨床切除甲狀腺的機器人Probot[21]，隨后Harris等[22]改進開發出甲狀腺切除專用外科機器人系統。同年，ISS公司推出了全球第一個骨科手術機器人產品，即著名的RoboDoc，是一種主動式機器人系統，包括一臺用于術前規劃的計算機和1臺安裝抓持、切削裝置的5軸機械臂，以及一個機器人操控平臺，通過編程獨立完成操作。基于輸入的數據和程序，RoboDoc可以進行手術規劃，自動使用專門的鉆頭完成骨骼處理，1992年7月該系統完成了第1例全髖置換手術[23]。1994年，Computer Motion公司研究第一種用于微創手術的醫用機器人：內鏡自動定位系統—伊索，這是一種能由手術醫師聲控的“扶鏡”電子機械手[24]，并于1997年3月在比利時布魯斯爾St Pierre醫院完成了第一例腹腔鏡膽囊切除術。目前，已經商業化并被FDA批準應用于外科手術的機器人系統主要有伊索系統、宙斯系統、達芬奇系統，后兩者是遠程操作外科機器人。

國內在2000年由海軍總醫院成功研制出第一臺用于腦外科手術的被動機器人[25]，并對患者進行了手術。手術時，首先是定靶（通過掃描將CT掃描圖像輸入計算機，屏幕即可顯示患者病灶的三維圖像）；其次是定標（在計算機上鎖定病灶，制訂手術方案，設定手術空間，并由機器人模擬空間匹配）；最后實施手術。在隨后的研究中又陸續開發了主動式腦外科機械臂[26]，有效提高了手術可操作性和精度。2004年，香港中文大學研發生產了第一臺手術導航機械臂的樣機[27]，并應用于臨床，準確完成了骨科手術中最常用的操作，在導航監控下鉆孔上螺釘。目前，已將該導航臂應用于骨盆骨折的髂骨經皮螺釘固定、骶骨螺釘固定、股骨頸空心螺釘及髓內釘遠端交鎖等手術，并取得了成功。為更好輔助醫生完成顯微外科手術，2006年天津大學成功研制主從異構顯微外科手術機器人系統“妙手（MicroHand）”系統[28]。“妙手”系統的主手為商業化具有力反饋功能的Phantom Desktop主手，從手為自主開發的針對顯微外科血管縫合而設計的[29]，實現了顯微外科的精確操作。

2.3 小型模塊化外科機器人技術

進入21世紀，受微創外科的影響，醫用外科機器人出現小型化、模塊化甚至可人體安裝化的趨勢。微型模塊化機器人首先被應用于協助改進傳統的內窺鏡檢查。1999年，Dario等[30]利用半自動化的微型機器人改進了常規結腸鏡檢查術，結果顯示該技術不僅使結腸鏡檢查更可靠，也為其在腔內診斷、治療領域的應用提供了參考。2001年，Mazor公司推出了小型并聯的脊柱外科機器人SpineAssist[31]，高度不足70 mm，質量不過200 g，可直接安裝在骨骼上，顯著提高了脊柱手術中的椎弓根螺釘與椎板關節突螺釘安置的定位精度和穩定性[32-33]，該系統已經獲得了FDA認證。2002年，德國學者開發了心臟手術輔助機器人Cargo Model[34]，實現了在密閉胸腔內將術區的手術器械、組織以及血管等安放到術者期望的位置，該系統作為常規心臟微創手術機器人的輔助裝置，為術者提供了更優化的手術入路和操作空間。2004年，Praxim Medivision公司研制了用于全膝置換的骨骼磨削小型機器人Praxiteles[35]，也可直接安裝于骨骼上。同年，日本東京大學研制了5自由度小型鏈式機器人，用于前交叉韌帶重建手術中的隧道鉆孔[36]。2005年，Wolf等[37-38]先后研制了可以安裝在骨骼上的脊椎手術輔助機器人和用于關節成形時骨切削的MBARS小型并聯機器人。同年，Pstronik等[39]研制了可安裝于心包膜下的機器人HeartLander，該系統經由劍突下切口入路，依附于心外膜，在醫生的操作下為搏動中的心臟心包內手術提供導航。相對于傳統的機器人心臟手術技術，這種新模式可避免心臟固定，消除準入限制。此外，它對肺通氣緊縮和通氣差別無要求，從而使心臟手術門診化成為可能。在最新的研究中，匹茲堡大學利用HeartLander機器人實現了在搏動的心臟上的心外膜注射，為促進心衰患者微創細胞移植治療提供了重要參考[40]。

國內從2002年開始，北京航天航空大學聯合哈爾濱工業大學、北京積水潭醫院等單位，在國家863計劃資助下開展了微創骨科手術系統的研究工作。針對傳統方法中存在的手術精度、X線損傷等問題，成功開發了小型模塊化骨科機器人系統，從模塊化角度出發，針對臨床需求，巧妙地把C型臂、圖像采集、機器人和導航結合在一起，設計了并聯結構。這種結構非常緊湊，機器人的運動也不會對患者造成任何傷害，非常適合臨床使用[41]。該系統至今已完成61例臨床手術，手術成功率100%。2003年，上海交通大學開發出用于腸腔檢查的微型內窺鏡機器人[42]，并在隨后的研究中進行改進，于2005年開發出的蚯蚓式貼壁爬行機器人[43]和2008年開發出的無線模塊[44]，使機器人在腔內的探測和圖像傳輸更加實時逼真。為解決全膝置換手術中夾具種類繁多、操作繁瑣、股骨力學難以確定等問題，2004年上海交通大學與上海第二醫科大學合作，設計了一套新型的適用于全膝置換手術的組裝夾具，包括一個7自由度的可調式的支撐臂以及一套5自由度的伺服電機驅動機械臂,通過骨夾將病人的患肢與機械臂及支撐等手術器械剛性連接起來[45]，該系統小巧緊湊的機械結構使手術操作更加靈活便利。在腹腔鏡微創手術機器人方面，天津大學與巴黎第六大學合作研制出微創手術機器人MC2E系統[46]，該系統具有4自由度，可直接安裝在人體上方，并有力反饋裝置，目前已進行動物（豬）心臟實驗。2007年至2009年，清華大學、華中科技大學、東南大學等在微創血管支架數字化設計與制造、心血管介入微器械、軟組織穿刺等方面也展開了相關研究工作[47-48]。

2.4 虛擬臨場手術機器人技術

虛擬臨場外科是在機器人遠程操作技術的基礎上發展起來的，虛擬臨場手術機器人技術是機器人輔助外科手術系統與虛擬現實技術（Virtual Reality）相結合的輔助外科技術。手術由術者在異地通過遠程操作系統控制手術現場的機器人完成。1993年，意大利米蘭機器人實驗室成功進行了世界上第一例遠程手術試驗。意大利醫生在美國JPL實驗室通過IBM SCARA 7565機器人遠程手術系統對位于意大利米蘭的豬組織器官進行了異地組織切片檢查手術。兩地相距數千公里，術中信號傳送通過衛星和光纖網絡進行[49]。1996年誕生了世界上首個遠程手術工作站,可允許醫生在異地通過微波通訊來完成可移動部隊醫院（Mobile army surgical hospital，MASH）的手術。目前典型的虛擬臨場手術機器人系統就是宙斯系統和達芬奇系統。宙斯系統擁有一個遠程的手術醫師主控制臺以及三個機械臂，其中兩個用來代替術者手臂，另一個是“伊索”系統機械臂，著名的“林白”手術[50]就是由宙斯系統完成的。2001年，1例用于展示遠程手術潛力的手術在美國和法國之間完成，美國紐約的醫生使用宙斯系統成功地為身處法國的患者施行了機器人輔助內窺鏡下膽囊摘除術（林白行動）。1997年，Intuitive Surgical公司整合手術系統（現在的直視手術）通過SRI Green遠程手術系統的許可。這個系統經過廣泛的重新設計，稱為達芬奇手術系統，并于2000年獲得FDA的許可。該系統采用主從手結構，醫生在控制臺通過主手操作機器人完成手術動作，通過腳踏板來控制高質量的視覺系統，從端包括兩個機器人手臂和一個內窺鏡夾持手臂，機械臂可以完成人手無法完成的極為精細的動作，手術切口很小，從而縮短了患者術后恢復的時間，提高了手術效果[51]。1998年，美國巴爾的摩市的外科醫生成功使用腎臟經皮穿刺系統為遠在意大利的患者進行腎集合系統經皮穿刺手術。2007年，美國開始研究遠程微創外科手術機器人系統項目，采用達芬奇系統在美國華爾特里德陸軍醫學中心和約翰霍普金斯醫院之間開展遠程手術研究。隨著遠程手術技術的發展，手術可以在距離醫生幾千公里以外的地方完成，而互聯網和衛星通訊技術的發展，使在一些危險的地區或常規手術難以甚至根本不可能進行的地區進行遠程手術正逐步成為可能。

本世紀初，國內開始對機器人遠程外科技術進行研究。2001年，解放軍海軍總醫院和北京航空航天大學合作，開展了局域網下遠程外科手術的初步研究，并于2003年利用黎元BH-600主動式機器人，在北京和沈陽之間完成了國內首例腦外科立體定向遠程操作手術，在視覺標定、ADSL多路視頻網絡同步傳輸、基于預覽、預測的增強現實等技術方面取得突破性進展。自2005年5月至2006年3月，北京積水潭醫院利用自主研發的基于ASDL/ISDN網絡平臺的主從式遠程外科機器人輔助脛骨髓內釘內固定手術系統進行異地遠程手術操作，在經過嚴格訓練和成功完成模型骨、尸體模擬實驗的基礎上，選取7例閉合脛腓骨骨折患者，開展北京與石家莊、北京與延安之間的異地遠程脛骨骨折閉合復位、帶鎖髓內釘內固定手術[52]。結果顯示，自主研發的遠程骨科機器人手術系統安全有效，不同于全程非間斷的實時手術視頻傳輸遠程操作，可避免網絡延時、帶寬限制，為遠程外科機器人在創傷骨科中的應用搭建了實用、安全的技術平臺。遠程手術的關鍵技術是包括外科手術虛擬訓練器技術、力傳感和反饋技術、遙操作技術、網絡應用技術，并與虛擬現實技術結合緊密。作為一項方興未艾的尖端醫療技術，遠程手術系統的出現將對現代醫學工程的發展產生深遠的影響。同時，它也是一項涉及多學科領域的綜合技術，它的發展將對各相關學科的發展產生推動作用。

3 總結與展望

外科手術的世界性發展趨勢是微創化，而外科的微創化不僅指某種或某幾種具體的微創手術技術，更是貫穿整個臨床實踐的理念，是將來外科治療操作中的指導思想。醫療外科機器人與計算機輔助手術的開發為外科手術模式帶來了革命性的改變，它是現代醫學、信息技術以及智能化工程等諸多領域的結晶。目前，國外計算機輔助技術和機器人技術相結合已經在很多領域被應用于臨床并取得了良好效果，但在國內，實際臨床應用成功的范例較少，相關工作也僅處于起步階段，還需在以下領域繼續做深入研究。

①虛擬現實技術的應用：使醫生更有身臨其境的真實感覺，并應用于外科醫生的培訓。

②高精度定位系統的研究：目前無論是機械臂定位系統，還是基于光學導航的定位系統，都存在著精度不足、裝置笨重、體積較大、價格昂貴等不足，高精度定位系統的開發對于提高手術質量、改進外科機器人有著積極意義。

③遠程操作外科機器人的開發：中國地廣人多，許多偏遠地區患者難以得到及時救治，遠程操作外科機器人的開發和應用將成為解決現實醫療問題的重要手段。

另外，新型外科機器人機構、新型手術工具、智能傳感器等相關技術的開發仍將是未來外科機器人研究的熱點和重點。相信隨著科學技術的不斷發展，外科機器人必將為外科手術模式帶來一場新的革命。

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Progress of Medical Robot Application and Research

GUI Haijun,ZHANG Shilei,SHEN Guofang.Department of Oral and Maxillofacial Surgery,Shanghai Ninth People′s Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai Key Laboratory,Shanghai 200011,China.

ZHANG Shilei(E-mail：leinnymd@hotmail.com).

Medical robotics;Computer assisted surgery;Telesurgery;Image processing

R608

B

1673－0364（2011）01－0055－05

10.3969/j.issn.1673-0364.2011.01.016

國家自然科學基金（30801302）；上海市科委重點項目（074119511）。

200011 上海市 上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院·口腔醫學院口腔頜面外科，上海市口腔醫學重點實驗室。

張詩雷（E-mail：leinnymd@hotmail.com）。

【Summary】The development of robotics has been promoting surgical models to a revolutionary change.Medical surgical robot has been used in operation in many fields,such as brain neurosurgery,plastic surgery,orthopaedics,and so on,and shows great social and economical value.The process of robot research based on current medical robotic application was reviewed in this article,and the structure of medical robot system was also introduced.Finally,the prospect of surgical robot was discussed.

2010年11月30日；

2010年12月13日）