醫療服務機器人應用與發展研究報告

黃敦華，李 勇，陳容紅

（北京電子科技職業學院，北京 100176）

醫療服務機器人應用與發展研究報告

黃敦華，李 勇，陳容紅

（北京電子科技職業學院，北京 100176）

論文介紹了醫療服務機器人的基本概念、特點、應用與發展，重點闡述了手術機器人、康復機器人、護理機器人、救援機器人與轉運機器人的發展與應用。

醫療服務機器人；應用；發展

0 引言

醫療服務機器人技術是集醫學、生物力學、機械學、機械力學、材料學、計算機圖形學、計算機視覺、數學分析、機器人等諸多學科為一體的新型交叉研究領域，具有重要的研究價值，在軍用和民用中有著廣泛的應用前景，是目前機器人領域的研究熱點之一，它主要用于傷病員的手術、救援、轉運和康復。醫療服務機器人北京市工程實驗室主任張送根博士認為，智能型手術及醫療服務機器人，有廣泛的感覺系統、智能和模擬裝置，涉及醫學成像、圖像分析、機器人、運動分析及虛擬現實等多個學科的最新成果，能夠全面擴展人類能力極限，提高醫生的手術及診療技能，輔助醫生進行手術規劃、仿真、操作等過程。

醫療服務機器人具有的特點：①醫療服務機器人的作業環境一般在醫院、街道、家庭及非特定的多種場合，具有移動性與導航、識別及規避能力，以及智能化的人機交互界面。在需要人工控制的情況下，還要具備遠程控制能力；②醫療服務機器人的作業對象是人、人體信息及相關醫療器械，需要綜合工程、醫學、生物、藥物及社會學等各個學科領域的知識開展研究課題；③醫療服務機器人的材料選擇和結構設計必須以易消毒和滅菌為前提，安全可靠且無輻射；④以人作為作業對象的醫療服務機器人，其性能必須滿足對狀況變化的適應性、對作業的柔軟性，對危險的安全性以及對人體和精神的適應性等；⑤醫療服務機器人之間及醫療服務機器人和醫療器械之間具有或預留通用的對接接口，包括信息通訊接口、人機交互接口、臨床輔助器材接口以及傷病員轉運接口等。

1 應用與發展

根據應用，醫療服務機器人分為手術機器人、康復機器人、護理機器人、救援機器人與轉運機器人等。

1.1 手術機器人

手術機器人最早源于美軍機器人手術和遠程外科計劃，并于1994年，由美國國防部下屬的國防高級研究計劃局（DARPA）研制成原型機。從軍事醫學的角度來看，機器人手術技術能為處在不利環境中的軍事人員提供醫療援救服務，可以在全球范圍內開展軍事人員的外科救治，如戰場、核生化危險環境和外太空等。在和平時期，機器人手術系統可用于加強醫生培訓；消除手部的抖動，減少術者的疲勞，增加精細操作的能力，從而提高手術的安全性；可以開展全球范圍的手術，實現遠程會診和醫療等。商業化的手術機器人最早出現在1994年，由美國Computer Motion公司研制，命名為AESOP。手術機器人于1997年3月在比利時布魯塞爾St Pierre醫院完成了第一例腹腔鏡手術—膽囊切除術。1998年，Computer Motion公司研制的Zeus系統、Intuitive Surgical公司研制的da Vinci系統和endoVia公司研制的Laprotek系統分別獲得了成功。這三個系統均由三大部分組成：醫生操縱臺、機械手和內鏡裝置。Zeus系統采用純信號方式實現醫生操縱臺對機器臂的控制，在傳輸距離上不受視頻延遲的影響。Zeus系統于2001年9月首次成功實現了跨大西洋 (美國紐約-法國斯特拉斯堡)的機器人腹腔鏡膽囊切除術。目前，手術機器人不僅完成了普外科，還有腦神經外科、心臟修復、膽囊摘除、人工關節置換、泌尿科和整形外科等方面的手術。最近，美軍正在研究遠程微創外科手術機器人系統項目，采用da Vinci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 （相距64 km）開展遠程手術研究。由沃特里得陸軍醫學中心 （WRAMC） (Water Reed Army Medical Center)開發的多國遠程醫療項目是美國第三級軍事遠程醫療咨詢系統。它基于跨平臺技術計算機、軟件、數字攝影和高速衛星通信。配備的醫學專家專業領域包括皮科、骨外科、傳染病、眼科和普通外科。遠程醫療分為兩種類型。一種為高分辨率數字靜態 （HRDS)圖像處理，利用440萬像素的KodakDCS420拍攝臨床圖像并下載到個人計算機或筆記本電腦。圖像和咨詢申請單文件通過衛星接收器或高速調制解調器傳送到WRAMC。數碼相機圖像的分辨率為1524×1012，文件大小為4.5MB。內置硬盤可以儲存50幅圖像。咨詢方式為儲存和轉發。WRAMC咨詢管理員收到咨詢申請和圖像以后，編制咨詢病歷并將記錄轉送到適當的醫學專家。另一種方式為視頻會議 （VTC)咨詢，需要預約和安排。VCT系統采用兩種硬件，一種是CLI8100系統，傳輸速率為54 kbs至1.544 mbps。另一種為采用個人計算機 PictureTelPCS-100E桌面視頻會議系統，速率為112 kbps或384 kbps。可以傳送數據和HRDS圖像文件、申請單、廣播功能以及在VTC過程中抓獲靜態圖像。據DARPA Tech會議確定，2009年，第一部便攜式的手術機器人應用到現實中去。這個名為 “Trauma Pod”的系統已經成功的對一個沒有并發癥的人體模型進行了治療。醫生可以獨立的遠程控制機器人，而這個機器人能夠完成一系列的功能，比如外科手術輔助，撤出病人等。在遠程手術中，自動鎖定目標系統可以輔助外科醫生完成特定動作。這套系統可以裝在史塞克系統的后部，其便攜性將在部隊中發揮很大的作用。

在國內，海軍總醫院和北航機器人研究所共同開發出智能化遠程外科手術系統，被稱為 “遙操作遠程醫用機器人”。2002年，海軍總醫院田增民等人首次成功地使用該機器人給一位腦腫瘤患者做了立體定向活檢手術。專家先通過電腦網絡接收病人的信息，分析病人的CT影像、進行手術規劃，然后遙控操作手術室內的機器人開始手術。手術室內的機器人根據專家的指令，自動搜索手術部位，并迅速鎖定立體定向穿刺路徑，20 min后，成功地取出病變組織。目前，手術機器人還處于初級發展階段，有許多方面需要不斷的完善和改進：開發智能化的安全與決策系統，以保證病人的安全。通過增加 “人造視野”系統，可在手術過程中監視術野，輔助術者做出判斷，增加手術的安全性；用軟件來處理觸覺和視覺圖像的整合、分割和合成；提供穩定的觸覺控制，識別不同的人體組織，進行關鍵解剖結構的圖像識別和圖像分割；具有良好的觸覺反饋和位置覺。

納米機器人可以直接進入人體器官內部進行工作,完成組織取樣、血管疏通、藥物定點放置、微型手術和細胞操作等普通醫療技術和手段無法完成的工作。目前，國外正在研制和開發體內自主行走式診斷治療、體內微細手術和體內藥物直接投放微型外科手術機器人。醫生用注射器將微型機器人推入人體內部,由它所攜帶的微生物傳感器對人體組織進行檢測，當發現有病變組織時,微型手術機器人對病變組織進行直接手術和藥物注射治療。哈爾濱工業大學機器人研究所成功研制出納米級精密定位系統,在這個系統支持下的納米級高精密微驅動機器人,能對細胞和染色體進行 “顯微手術”。納米級機器人可在人體微觀世界行走,隨時清除人體中的一切有害物質,修復損壞的基因,激活細胞能量,使人不僅僅保持健康,而且延長壽命。據日本科學技術政策研究所預測，到2017年，在醫療領域使用手術機器人和微型機器人的手術將超過全部醫療手術的一半。

1.2 康復機器人

康復工程（Rehabilitation engineering）是生物醫學工程的一個重要分支學科，主要研究如何運用工程技術手段提高殘障人士的生活質量。康復機器人可分為輔助性和治療型兩種。輔助型康復機器人主要用來幫助老年人和殘疾人更好地適應日常的工作和生活，部分補償了他們弱化的機體功能；治療型康復機器人用來幫助患者恢復機體功能。

目前，康復機器人的研究主要集中在康復機械手、智能輪椅和康復治療機器人等幾個方面。國外開展康復機器人的研究已有相當長的時間，20世紀60年代初期出現了第一臺康復機器人CASE。早期法國CEA公司開發的MASTER系統，美國Tolfa Corporation開發的DEVAR系統，以及英國OxfordIntelligent Machines開發的RAID系統，它們的機械手都安裝在一個徹底結構化的控制平臺上，可在固定的空間內操作。美國的MOVAR系統和意大利的URMAD系統的機械手安裝在輪椅上，因輪椅的移動而擴大機械手的操作范圍，但由于安裝機座的改變導致了機械手剛性下降和抓取精度降低。而且這種方法只適合于那些可以用輪椅的人。機械手安裝在移動機器人或者是自主的小車上，適于更多的患者使用，同時還擴大了活動空間并提高了抓取精度，這種機械手系統一般由視覺、運動、傳感、導航及系統控制等子系統組成，是目前最先進的。日本東京大學的S.Tachi教授在MIT日本實驗室工作時開發了一個移動式康復機器人MELDOG。歐洲Scuola SuperioreS.Anna技術實驗室的一個研究小組在URMAD系統基礎上開發了MOVAID系統，它具有自由避障的功能，操作者可以實時監控和干預機器人的動作。它可以幫助殘疾人完成食物加熱、廚房打掃和床鋪清理等工作。代表最新發展方向的是美國費城Pennsylvania大學的P.Wellman等人設計的智能輪椅，將智能機器人技術應用于電動輪椅上，融合了傳感技術、機器視覺、機器人導航和定位、模式識別及人機交互等先進技術，強調人機互動和接口的自適應性。近年來，治療型康復機器人的研究取得了重要進展，如有輔助神經肌肉康復訓練機器人和腦神經康復機器人。

康復機器人技術經過了40多年的發展，已成為國際機器人領域的一個研究熱點，其未來發展呈現以下幾個趨勢：①各種先進的機器人技術廣泛應用到康復領域；②康復理論的發展催生新的康復機器人；③仿生學的發展指引著康復機器人的未來。

1.3 護理機器人

護理機器人一般用來輔助護士完成相關的護理工作，如病人翻身、更換床單等護理，以及食物、藥品、醫療器械、病志的傳送和投遞，與病人對話，提供數據和影像支持等工作。日本機械工程研究所開發的MELKONG，專門用來照顧那些不便走動的病人。日本三菱公司還推出了一種在MELKONG基礎上改進的傳輸搬運車輛。美國運輸研究會 (Transition ResearchCorporation,TRC)研制的 “HelpMate”機器人，可以24h在醫院里完成運送食物和藥品的工作。對護理機器人的研究現在多集中在研究可移動機器人系統，如 WALKY, MOVAID和ARPH等機器人系統。

1.4 救援機器人

救援機器人主要擔任危險條件下的救援工作，在火災、地震和戰場等各種場合下能迅速且安全地將傷病員救出。在1995年的日本 “阪神”大地震中，90%以上的死者是因為被埋在倒塌的建筑物下面未能及時獲救而死亡的，因為大型工業機械不適用于震區的挖掘工作，而人工挖掘的速度又太慢。2003年,國際救援系統研究所在日本政府的贊助下，開發出了第一批可以在地震廢墟上爬行、飛行和跳躍的救援機器人，這些機器人大部分體型較小，通常裝有短波攝像頭和感應器，用于地震后受災人員的搜索。2004年，還研制出大型救援機器人“T-52En ryu”，可輕松地挪開變形的汽車和倒塌的建筑物等障礙物，救出受災人員。該機構計劃用15年時間創造出一支機器人救援隊伍的項目。2007年，美國Vecna公司研發出戰場救援機器人 “VECNA's BEAR”，機器人上身采用液壓伸縮裝置，底部使用履帶式驅動系統，裝備了測速儀和陀螺儀，以監控身體移動，并探測身體是否失去平衡。電腦控制的發動機能夠隨機調整下肢動作，防止它跌倒。 “VECNA's BEAR”的雙腿和雙腳都裝有履帶，從而能在崎嶇道路或樓梯上自如行駛。它的臀部、膝蓋和腳部還有輪子，在平滑地面上，它可以轉換到兩個輪子的行駛模式，行動更加快捷。它還能靈活地轉換多種姿勢，以適應不同路況。VECNA's BEAR身手敏捷，能夠擔負普通人無法擔負的任務，可以抱起受傷士兵送往后方安全地帶，其行走時間長達50 min。救援機器人工作于復雜的現場環境中，其結構設計要簡單緊湊，運動要靈活，還要有強大的動力足以克服障礙將傷病員移動到安全地帶；動力來源于蓄電池的救援機器人，其設計應該盡可能的減少不必要的額外功率損耗，提高蓄電池的使用效率；救援機器人執行任務需要克服種種障礙，必須具有規避導航能力，還要有一定的自主完成任務的能力，在人不能為其提供指令和引導的惡劣情況下，能做出正確的選擇；救援機器人集多種傳感器于一體，才能對傷病員是否活著進行判斷，才能精確地分析出現場的破壞和污染程度 （粉塵、輻射、毒氣等）；救援機器人還要有一定的急救能力，如供氧、解毒和藥物注射等。

1.5 轉運機器人

轉運機器人主要用于危重病患者的特殊檢查、挪動、轉床、手術和麻醉前后的接送和戰場傷病員的后送，避免傷病員的再損傷。目前，國內外大部分研究還主要集中在病人轉運車，主要以人工操作為主，自動化程度低。2007年，燕山大學王洪波教授和日本Fumio Kasagami教授共同研制出 “C-Pam”轉運機器人，采用接觸點相對靜止技術，不需移動患者身體的任何部分，患者就會被移動到床板上，但其傳感器少，自動化和智能化水平相對比較低。轉運機器人在保證患者無痛轉運的前提下，還要易消毒滅菌，行走靈活，控制簡單，安全可靠。隨著技術的進步，轉運機器人正朝著自動化和智能化方向發展。

2 未來走向

醫療服務機器人將機器人技術應用到醫療領域，極大的推動了現代醫療技術的發展，是現代醫療衛生裝備的發展方向之一。手術機器人具有高準確性、高可靠性和高精確性，提高了手術的成功率；康復機器人具有智能化，可為傷員、病人與老年人提供康復和服務；救援機器人可以經受得住戰場和災難等惡劣環境的考驗，安全救出傷病員。未來醫療服務機器人的發展方向為高準確度、高可靠性、高精確性、智能化、數字化、一體化。

[1]肖鐘，黃宗海.外科手術機器人的研究進展及臨床應用[J].中國現代普通外科進展,2011,11.

[2]桂海軍，等.醫用外科機器人應用和研究進展[J].組織工程與重建外科雜志，2011，1.

[3]Li J M,Wang S X,Wang X F,et al,Optimization of a Novel Mechanism for a Minimally Invasive Surgery Robot[J].Int J Med Robotics Compute Assist Surg，2010，6.

[4]劉術，蔣銘敏.美軍機器人手術的研究現狀及發展趨勢[J].中國微創外科雜志，2007，6.

[5]Hong bo Wang,Fumio Kasagami.Careful-Patient Mover Used for Patient Transfer in Hospital,IEEE/ICME International Conference on Complex Medical Engineering，2007，5.

[6]Wang TM，Wei J，Liu D，et al.An internet robot assistant teleneuro surgery system case[A]//Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems[C].Beijing:IEEE，2006.

[7]Proc.I Mech E,Part H J,Davies B.A review of robotics in surgery [J].Engineering in Medicine,2000,214（H1）.

The Applications and Development Report of Medical Service Robot

HUANG Dun-Hua，LI Yong，CHEN Rong-Hong
（Beijing Polytechnic,Beijing 100176，China）

This paper introduces the basic concepts of medical service robot,features,applications and development,focusing on the surgical robot,robotics rehabilitation,nursing robots,rescue robots and robotic transport development and application.

medical service robot；applications；development

TP242

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.003

1002－6673（2014）03－006－04

2014－04－29

項目來源：該文受“科研基地—機電一體化系統控制工程科技創新平臺二期—健康體檢機器人系統研制”項目資助

黃敦華（1978-），男，安徽人，副教授，研究方向：機電一體化技術與機器人；李勇（1975-），男，講師。目前研究方向：機電一體化技術。