醫用機器人在微創手術領域的發展概況

錢文文，鄭 建,2，何 濤,3

(1浙江省醫療器械檢驗院，浙江杭州310009，2浙江大學，浙江杭州310007，3浙江省醫療器械安全性評價研究重點實驗室，浙江杭州310009)

醫用機器人在微創手術領域的發展概況

錢文文1，鄭 建1,2，何 濤1,3

(1浙江省醫療器械檢驗院，浙江杭州310009，2浙江大學，浙江杭州310007，3浙江省醫療器械安全性評價研究重點實驗室，浙江杭州310009)

醫用機器人作為一種新型醫療器械，已經被成功應用于各類微創手術中。本文對醫用機器人在眼科、神經外科、心胸外科、腸胃外科和泌尿外科五個重要微創領域的國內外研究發展情況做了詳細介紹。同時還介紹了兩個成功的商業化醫用機器人ROBODOC和Da Vinci的技術發展和臨床應用情況。

機器人；醫用機器人；手術機器人；微創手術

0 引言

自1987年法國著名醫生Mouret成功使用腹腔鏡完成膽囊切除術以來，越來越多的外科領域都應用微創手術取代傳統的外科手術，如普通外科、神經外科、心胸外科、肝膽外科、泌尿外科、整形外科等。但是由于微創手術要求外科醫生需具有高超的手術技能與精細的手術操作，所以借助先進便捷的醫療器械進行微創手術成為微創手術的必要選擇，其中使用醫用機器人進行微創手術受到越來越多研究人員和外科醫生的關注。

本文主要介紹了醫用機器人在微創手術領域中的發展現狀，即醫用機器人在眼科、神經外科、心胸外科、腸胃外科和泌尿外科五個重要外科領域的應用，并重點介紹了兩個應用于微創手術的典型商業化機器人系統ROBODOC和Da Vinci。

1 醫用機器人在微創手術領域的應用

1.1 眼科

眼科手術往往是一系列精細而復雜的過程，人類外科醫生手術的局限性大大限制了眼科手術的進一步發展。例如，在進行玻璃體視網膜手術時，反饋信息遠遠小于人眼所能分辨的最小值，所以該手術操作過程相當困難。為克服眼科手術中的種種困難，提高眼科手術質量，研究人員在眼科醫用機器人方面開展了大量的研究。

第一個應用于眼科手術的醫用機器人系統是1997年由美國Northwestern University開發研制的顯微外科機器人。該系統是基于Stewart平臺的并聯機器人，操作者可以通過一個軌跡球對該機器人系統進行操控，操控靈活。2004年Carnegie Mellon的研究人員開發了一種手持式機器人系統Micron，該系統可以有利于消除醫生在手術過程中手部顫抖等對手術不利的多余動作。2007年Johns Hopkins University研制的Steady-hand機器人是一個輔助手術機器人，最大的特點是該系統對操縱者有一個自然反饋信息，從而實現手術過程中的穩定控制。ZTH Zurich的研究人員最新開發了一種用于眼科手術的無線微型機器人系統，該系統基于磁力無線控制，從而取代傳統的物理線路，研究人員計劃將該機器人系統廣泛應用于玻璃體視網膜的微創手術。

在國內，北京航空航天大學的機器人研究所對眼科機器人系統有較多報道，特別是眼角膜移植方面，研究人員報道了一種用于顯微角膜成形術的機器人，該機器人末端執行器上的微型壓力和位置傳感器可以用于術中實時監測和信息傳輸。

1.2 神經外科

在神經外科手術中，精確定位是此類手術的成功的重要條件，但是現有定位系統存在定位精度不高，定位裝置過于龐大和復雜給病人造成一定的心理負擔等缺點。所以臨床醫生想通過利用醫用機器人來完成神經外科手術中的立體定位。

早期的神經外科定位機器人系統大多是基于工業機器人系統。1988年Kwoh首次提出了一個基于Puma200的定位機器人系統，用于腦組織活檢中探針的導向定位。Accuray公司研發的CyberKnife機器人系統是一個用于放射外科的機器人系統，其中該系統的呼吸同步跟蹤系統，大大提高了實時定位的精度。Reinshaw 公司的NeuroMate機器人系統是一個比較成功的商用化產品，已經被成功應用于深部腦刺激的電極植入手術和神經內窺鏡手術、放射及活檢的立體定位術。1999年推出的無框架版本，大大減輕了手術創傷。該機器人系統獲得了美國食品與藥品管理局(FDA)的認證，成為最早被美國FDA批準用于臨床的神經外科手術機器人。Imperial College London研究人員最新研究成果，一種新型機器人探針，該探針最大的特點在于其仿生學設計，可以通過病人顱骨上的小孔進入顱骨并沿著指定的彎曲線路進入大腦。

圖1 NeuroMate定位機器人系統

國內方面，1997年由北京航空航天大學機器人研究所和解放軍海軍總醫院共同研制的腦外科機器人輔助定位系統Puma262，已經被成功開展于臨床應用，取得了一定的研究成果。

1.3 心胸外科

傳統的心胸外科往往需要通過開胸手術，而開胸手術具有傷口大，出血多，恢復慢等缺點，所以微創外科成為心胸外科手術的熱門研究，但是此類手術有一定局限性，比較復雜的手術尤其是精細的心臟手術不能很好的實現。醫用機器人正好可以彌補人類的缺點，利用其高精度，可以再狹小空間操作精細手術，高分辨等優勢完成各種人類外科醫生無法完成的手術。

2005年Carnegie Mellon University研制的輔助心臟手術的機器人系統Heartlander，為一個用于心肌內注射的橢圓型爬行類機器人。此類微型機器人可以爬行至手術部位進行心肌內注射，大大抑制了心肌梗塞。最初該機器人使用電動馬達驅動，在后期研究中進行不斷改良實現了超聲馬達驅動，大大增強其操作性能。2006年University of Washington的研究人員還開發了一個重量僅為22.5kg的機器人系統RAVEN，類似的同類系統常常重達半噸。該機器人系統相對較為便捷，適合一些特殊場合的使用，比如戰場、事故現場和太空等。Hansen Medical公司開發了一款導管機器人系統Sensei, 該系統是全世界第一個血管內動脈瘤修復機器人系統。Intuitive Surgical公司著名的Da Vinci 機器人系統也可應用于各類胸心外科手術，比如心臟停跳搭橋、二尖瓣成形和置換、主動脈瓣切除術和肺葉切除等各類手術。Da Vinci機器人系統作為一個較為成功的商業化機器人系統，本文將于第三部分做具體介紹。

由國內天津大學、南開大學和天津醫科大學總醫院聯合共同研制開發的微創手術外科機器人“妙手A (McroHand A)”，憑借該系統四自由度小型手術工具、三維立體視覺和主從式控制等特點。目前“妙手A (McroHand A)”系統已經順利通過動物實驗，有望將來應用于胸心外科手術。

1.4 腸胃外科

通常，腸胃科的醫生會使用胃腸鏡對病人的腸胃進行診斷與手術。所謂的胃腸鏡就是借助一根纖細而柔軟的管子進入到腸胃系統觀察病灶，但是傳統胃腸鏡的管子往往會引起病人的諸多不適癥狀。所以研究人員希望能研制出較容易吞咽的微型腸胃機器人，近年來大量應用于腸胃外科手術的微型機器人被研制出來。

圖2 膠囊型內窺鏡M2A

第一個膠囊型內窺鏡M2A是由Given Imaging公司開發，該微型膠囊直徑僅為10mm，長度為27mm。主要由一個微型相機、射頻發射器、LED照明燈和微型電池構成，拍攝的圖片由無線傳輸至計算機。由于其體積非常小，病人只需一杯水就能輕松服下該膠囊，其通過腸道蠕動和收縮向前行進。2001年，M2A獲得美國FDA正式批準，允許應用于小腸的檢查診斷。2007年美國University of Nebraska的研究人員還報道了一個名為NOTES的內窺鏡機器人系統。該微型機器人系統由一個中心裝置和兩個臂構成，通過食道進入到食道后可以提供一個穩定的可視化平臺和任意方向的觀察，可以協助外科醫生進行小腸解剖等手術。歐盟代號為ARES的項目研制出一種新型結構的微型機器人系統，此類機器人由多個部分構成，其中每個部分都具有其獨特的功能，這種結構代表了一種新的微型機器人發展方向。

國內方面，大連理工大學研制的膠囊機器人可以實現在腸道內垂直游動，此項技術達到國際領先水平。上海交通大學曾報道過一個無線內窺鏡微型機器人，該機器人系統基于蚯蚓運動的仿生設計，由三個線性單元構成。重慶金山科技、安翰光電技術和杭州華沖科技等國內多家公司也積極投入到膠囊內窺鏡方面研發和生產工作。其中重慶金山科技獲得相關方面的專利上百余項，該公司自主研發產品OMOM膠囊內鏡已經獲得國家藥監局頒發《醫療器械注冊證》，正式投入應用。

1.5 泌尿外科

隨著醫療技術不斷發展，泌尿外科手術微創化是外科醫生不斷追求的目標，而醫用機器人定位精度高、防抖動等優點都較適合應用于泌尿外科微創手術。研究人員和臨床醫生不斷嘗試使用醫用機器人輔助進行泌尿外科手術。近年來，大量應用于泌尿外科的醫用機器人系統被報道。

2005年Johns Hopkins University的研究人員開發了一種新型的用于前列腺的遠程驅動機械手。該裝置在醫生的控制下可以實現前列腺部位毫米量級誤差內的定位，適用于前列腺手術中的穿刺活檢和基準標記等操作。2008年University of British Columbia的研究人員還提出了一個四個自由度的前列腺手術機器人，該機器人允許針頭在X-Y平面自由精確的移動，沿Z軸方面插入。同年加拿大Engineering Service公司的研究人員曾報道過一個用于前列腺消融術的磁共振兼容機器人，對該機器人的磁共振兼容特性，可視化工具和控制精度都做出了詳細的報，同時還指出使用該機器人系統可以實現誤差小于2mm的定位。除了一些用于定位的醫用機器人，Zues和da Vinci 機器人系統都可應用于泌尿外科的手術，例如腎切除，前列腺切除和膀胱修復手術等。

哈爾濱理工大學智能機器人研所的研究人員提出了一個用于前列腺癌治療的半自動化的機械手，該機械手可以用于精確控制放射性粒子的位置，使得前列腺癌治療達到最佳效果。

2 典型的醫用機器人

2.1 ROBODOC機器人手術系統

ROBODOC機器人系統是一個在骨科領域成熟應用的醫用機器人產品。在1986年，美國IBM Thomas J. Watson研究中心的研究人員與美國University of California的研究人員聯合，合作開發了第一個應用于骨科手術的機器人系統ROBODOC。該機器人系統主要應用于全髖關節置換術，研究人員初衷是希望利用機器人系統的高精密度從而提高關節置換手術的質量。1992年, ROBODOC協助醫生進行了第一例全髖關節置換手術。該突破性方式大大促進了三維圖像、術前規劃和機器人輔助手術的發展。同年ROBODOC開發團隊還獲得著名的計算機史密森醫學創新獎。1994年開始ROBODOC系統開始商業化使用，被應用于各類全髖骨關節置換術、膝關節置換術及相關修復手術。

2008年，ROBODOC正式通過美國FDA認證，允許在醫院使用進行全髖骨置換術，是全世界唯一一臺被FDA認可的可以進行骨科手術的機器人系統。截止2012年12月為止，ROBODOC已被廣泛應用于美國，歐洲，日本，韓國和印度等全世界各地，并且協助外科醫生完成關節置換手術超過28000例。同時ROBODOC還在進行不斷的新技術更新，未來應用可能將廣泛應用于各類脊柱和開顱手術。

圖3 ROBODOC機器人系統

2.2 Da Vinci機器人手術系統

Da Vinci機器人系統是目前世界上應用最為廣泛的醫用機器人系統。上世紀90年度美國Intuitive Surgical公司成功的將最先進的太空遙控機器手機轉化為醫用臨床應用，并將其研制的機器人命名Da Vinci。該機器人系統一共包括醫生操作系統、床旁機械臂系統和視頻處理系統三個系統。其Intuitive運動模式保持了相應的手眼一致，手與器械運動一致，從而對器械進行有效控制。通過高清晰三維立體的成像系統，緊湊易控的控制臺和Endo Wrist可轉腕器械，醫生的動作被等比例的調整，濾除抖動，病精確的傳遞至病人身旁的機器臂及器械上，完成高質量高難度的手術。

2000年6月，Da Vinci手術系統成為了美國FDA批準的第一個用于腹腔鏡微創手術的自動控制機械系統。2005年Intuitive Surgical公司又推出該機器人系統的升級版Da Vinci S系列；2009年推出的Da Vinci Si系列是目前該手術機器人的最新版本，擁有雙操作系統適用于手術培訓和合作手術。美國排名前100位的醫用已經有92家醫院安裝了Da Vinci手術系統。美國85%以上的前列腺癌根治術使用Da Vinci手術機器人完成。Da Vinci手術系統通過FDA批準可以開展的臨床手術見表1。僅2010年1年，Da Vinci手術系統完成手術超過250000例。

國內的中國人民解放軍總醫院、中國人民解放軍第二炮兵總醫院和復旦大學附屬中山醫院等十余家國內的醫院也已安裝先進的Da Vinci手術機器人。并且應用先進的手術機器人以開展不少手術，如解放軍總醫院在高長青主任的帶領下，使用Da Vinci手術機器人完成心血管類的手術400多例；第二炮兵總醫院以周寧新教授為代表，已使用Da Vinci手術機器人完成130例肝膽胰外科手術。

圖4 Da Vinci Si機器人系統

3 總結

醫用機器人憑借其在手術過程中的高精準度和可重復性等特性，在某些方面遠遠超過了人類外科醫生的能力，使用醫用機器人在微創外科手術領域的應用必將成為發展新趨勢。隨著今后研究人員不斷技術進步和臨床醫用工作者不斷實踐應用，改進醫用機器人所存在的缺陷、提高醫用機器人工作性能。醫用機器人技術將更為成熟與穩定，在微創外科領域的應用必將更為廣泛與系統。

表1 Da Vinci Si 機器人系統通過FDA批準可以應用的臨床手術

[1]曹月敏, 王蘭輝. 21世紀的微創外科與微創醫學[J]. 中國微創外科雜志, 2008, 8(1):1-3.

[2]杜志江, 孫立寧, 富歷新. 醫療機器人發展概況綜述[J]. 機器人, 2003, 25(2): 182-187.

[3] Jensen P S, Grace K W, Attariwala R, et al. Toward robot-assisted vascular microsurgery[J]. Graefe’s Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology, 1997, 235(11): 696-701.

[4] Ang W T, Pradeep P K, Riviere C N. Active tremor compensation in microsurgery[C]//Proceedings of the IEEE International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2004: 2738-2741.

[5] Mitchell B, Koo J, Iordachita I, et al. Development and application of a new steadyhand manipulator for retinal surgery[C]// Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and automation. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2007:623-629.

[6] Ergeneman O, Dogangil G, Kummer M P, et al. A magnetically controlled wireless optical oxygen sensor for intraocular measurements[J]. IEEE Sensors Journal, 2008, 8(1): 29-37.

[7] Hu Y, Li D, Zong G, et al. Robotic system for microsurgical keratoplasty[C]//Proceedings of the IEEE International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2005: 5762-5765.

[8] Kwoh Y S, Hou J, Jonckheere E A, et al. A robot with improved absolute positioning accuracy for CT guided stereotactic brain surgery[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1988, 35(2): 153-160.

[9] Accuray. The CyberKnife Surgical System[EB/OL].[2012-06-12]. http://www.accuray.com/.

[10] Reinshaw. The NeuroMate Stereotactic Robot[EB/OL]. [2012-08-11]. http://www.renishow.com/.

[11] FP7 ROBOCAST. Robot and Sensors Integration for Computer Assisted Aurgery and Therapy[EB/OL]. [2012-12-12]. http://www.robocast.eu/.

[12] 中國組織工程研究與臨床康復學術部. 讓昨天告訴今天：醫用機器人研究的學術與技術發展[J]. 中國組織工程研究與臨床康復, 2009(13): 9411-9412.

[13] Patronik N A, Zenati M A, Riviere C N. A miniature cable-driven robot for crawling on the heart[C]//Proceedings of the IEEE International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2005: 5771-5774.

[14] Rosen J, Hannaford B. Doc at a distance[J]. IEEE Spectrum Magazine, 2006, 43: 34-39.

[15] Hansen Medical. The Sensei X Robotic Catheter System[EB/OL]. [2012-09-12]. http://www.hansenmedica l.com/.

[16] Intuitive Surgical. The Da Vinci Surgical System[EB/OL]. [2012-08-12]. http://www.intuitivesurgical.com/.

[17] 王樹新, 丁杰男, 贠今天, 等. 顯微外科手術機器人——“妙手”系統的研究[J]. 機器人, 2006, 28(2): 130-135.

[18] Given Imaging. The Given Imaging PillCam capsule endoscopy[EB/OL]. [2012-08-12]. http://www.givenimaging.com/.

[19] Lehman A C, Wood N A, Dumpert J, et al. Robotic natural orifice translumenal endoscopic surgery[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and automation. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2008: 2969-2974.

[20] CORDIS. ARES Project[EB/OL]. [2012-08-16]. http://www.ares-nest.org/.

[21] Wang K, Yan G, Jiang P, et al. A wireless robotic endoscope for gastrointestine[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2008, 24(1): 206-210.

[22] Krieger A, Susil R C, Mnard C, et al. Design of a novel MRI compatible manipulator for image guided prostate interventions[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2005, 52(2): 306-313.

[23] Salcudean S E, Prananta T D, Morris W J, et al. A robotic needle guide for prostate brachytherapy[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and automation. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2008: 2975-2981.

[24] Goldenberg A A, Trachtenberg J, Kucharczyk W, et al. Robotic system for closed-bore MRIguided prostatic interventions[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2008, 13(3): 374-379.

[25] Zhang Y D, Podder T K, Ng W S, et al. Semiautomated needling and seed delivery device for prostate brachytherapy[C]//Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent robots and systems. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2006: 1279-1284.

[26] ROBODOC Curexo Technology Corporation. The ROBODOC Surgical System[EB/OL]. [2012-09-13]. http://www.robodoc.com/.

A review of medical robotics for minimally invasive surgery

QIAN Wen-wen, ZHENG Jian, HE Tao

(zhejiang institute for the control of medical device, hangzhou 310009, China)

Medical robotics as one of novel medical devices, have been successfully applied to a variety of minimally invasive surgery. This paper provides an overview of medical robotics for minimally invasive surgery on ophthalmological surgery, neurosurgery, cardio-thoracic surgery, gastrointestinal surgery and urological surgery. Technology developments and clinical applications of ROBODOC system and Da Vinci surgical system which are the most typical medical robotics are also included in this paper.

Robotics; Medical Robotics; Surgical Robotics; Minimally Invasive Surgery

2014-01-26

TH77

A

1002-2376(2014)06-0001-05