手術機器人導航與控制技術研究綜述

王培企

摘 要：隨著手術復雜程度的不斷提高和相關技術的不斷進步，手術機器人得到了廣泛應用，并取得了良好的效果。導航與控制技術是手術機器人的核心技術，本文通過對多種手術機器人的技術分析，從計算機視覺、機器人定位、虛擬仿真手術、實時導航與實現虛擬與現實交互等相關關鍵技術進行了闡述分析，最后對當前面臨的主要問題和今后的發展方向進行了總結。

關鍵詞：手術機器人；計算機視覺；虛擬仿真手術；實時導航

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）11-0057-03

1 引言

隨著社會物質生活水平的不斷提高和日趨復雜多樣的臨床需求，手術復雜程度不斷增加、要求也越來越高。傳統基于手工操作的手術模式不僅需要熟練的技術和豐富的臨床經驗，同時手術時間長、工作量大，不可避免地導致人員疲勞，輕則影響手術效果、重則導致醫療事故。隨著計算機技術、圖像處理、精密儀器等技術的不斷進步，國內外研究團隊將醫療需求和工程科學的技術進步相結合，改變單純依靠醫生經驗進行診斷、治療和手術的傳統模式，研制了多種不同類型的手術機器人，完成/輔助完成傳統方法難以完成的復雜診斷和手術。這既有效提高了手術效率和精度，又減輕了勞動強度、降低了手術風險；同時，手術機器人也有助于降低醫務工作者的勞動風險，可有效避免醫生在放射條件下工作的風險及手術中被感染的概率。隨著技術的不斷革新與發展，已經多種手術機器人投入臨床手術應用中。手術機器人的出現促進了相關技術的進步，它不再單純依賴醫生經驗，同時對病情檢測與數據獲取更加規范，這大大促進了相關醫療技術的發展。手術機器人的產生及臨床應用，不僅是科學技術提高人民健康水平的具體應用，滿足了全社會日益增長的醫療需求，同時也具有極高的商業價值。

截至2014年底，美國Intuitive Surgical公司的達芬奇手術機器人系統裝機達3266臺，國內引入價格高達2000萬元。手術機器人系統不只具有廣大的銷售市場，更存在能改變醫療行業規則的潛力，是未來醫療領域布局的重要戰略性儀器設備。我國將在手術機器人熱潮中迎來重要發展機會。我國目前市場達到8.5億，到2018年將達到15.7億。近年來，國內相繼出臺了支持高新醫療器械研發的相關政策，國內高等院校、科研機構和相關企業取得了多項技術突破與研究成果，我國將有望打破手術機器人進口壟斷的局勢。構建涵蓋，從研制、生產、銷售、耗材與保養、技術支持與售后服務等方面的手術機器人全產業鏈體系。

本論文主要針對手術機器人領域中的導航與控制技術的相關研究現狀、關鍵技術、技術難點等進行詳細論述。

2 手術機器人概述

2.1 手術機器人的發展

手術機器人的主要代表產品如表1所示。

（1）第一臺真正的醫療機器人——ROBODOC。由美國IBM Thomas J.Watson研究中心和加利福利亞大學聯合成立的Integrated Surgical Systems于1992年推出手術機器人ROBODOC[1]，并被FDA認可通過。該機器人可完成全髖骨替換、髖骨置換及修復和膝關節置換等手術，髖關節置換過程中，它對股骨的調整精確度達到96%，而醫生手工操作的精確度只有75%[2]。（2）第一臺商業化的手術機器人——AESOP。AESOP是由美國Computer Motion公司開始研發的伊索系列機器人[3-4]。王友侖在 1989 年開始研究“伊索”（AESOP），并于1997年研制成功。該機器人可以模仿人手臂功能，實現聲控設置，輔助人員無需手動控制內窺鏡，提供比人為控制更精確一致的鏡頭運動，為醫生提供直接、穩定的視場。（3）遠程手術機器人ZEUS與后起之秀Da Vinci。Computer Motion推出的ZEUS機器人是外科史上繼微創技術及電腦輔助應用后的第三次變革，引入了遠程手術的概念。2001年，完成了醫師與患者異地的膽囊摘除手術。達芬奇手術機器人是目前全球最成功及應用最廣泛的手術機器人[5-6]，代表著當今手術機器人最高水平，它主要由醫生控制系統、三維成像視頻影像平臺和擁有機械臂、攝像臂和手術器械構成的移動平臺等三部分組成。實施手術時，主刀醫師通過三維視覺系統和動作定標系統操作控制，由機械臂與手術器械模擬完成醫生的技術動作和手術操作。截止2010年，達芬奇微創手術機器人已推出已在全世界裝機1752臺，已經成功開展了25萬多例機器人手術。

2.2 主要研究機構

手術機器人主要研究機構[7]主要有麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室醫學視覺組、斯坦福大學圖像導航實驗室、卡耐基梅隆大學與西賓夕法尼亞醫院合作的醫學機器人與計算機輔助外科手術研究中心、哈佛醫學院與Brigham and Womens Hospital醫院的外科手術規劃實驗室、霍普金斯大學國家科學基金工程中心的計算機集成外科手術系統與技術組等。其中，美國麻省理工學院、哈佛醫學院等高校取得了較大的理論研究成果。另外，通用醫療、飛利浦、西門子、美敦力、Brain Lab、東芝等醫療器械廠商紛紛推出了自己的手術機器人產品。

2.3 手術機器人面臨的主要問題

雖然手術機器人有著諸多優點與巨大潛力，但仍受技術條件制約。手術機器人價格較高，達芬奇手術機器人采購費用在1700萬人民幣左右[8]，且使用成本較高，部分器械屬手術耗材，每例手術平均耗材費用約2萬元。其次，系統復雜，醫務工作者需要花費一定時間才能完全掌握。“導航與控制技術”是手術機器人的關鍵技術瓶頸，同時也是手術機器人的核心技術，存在以下幾個難點[9]：

（1）機器人作業范圍有限，容易進入死機狀態；需要有效提高其作業范圍，提高導航能力。（2）為了減少手動控制，系統誤差也會不可避免的增大。（3）由于雙手不直接接觸手術部位，缺乏觸覺反饋，無法判斷質地、彈性、有無搏動等性質。（4）手術機器人改變了醫生業已習慣的手術流程，對操作醫師的計算機應用技巧、外語水平以及影像學知識等要求較高，技術門檻較高，操作較復雜。

3 手術機器人導航與控制技術分析

3.1 手術流程

手術的整體流程如圖1所示，傳統手術和機器人手術均需要首先對病患處進行數據采集，醫生根據病人情況，結合臨床經驗制定手術計劃，然后直接施行手術。與傳統手術不同[10]，手術機器人最大優點是通過三維重建技術進行手術方案模擬，制定最合理方案，通過定位導引與實時導航進行手術，最后進行術后評估。

3.2 視覺技術

（1）機器視覺技術發展。導航與控制技術是手術機器人的核心技術，視覺技術是導航技術的關鍵。典型機器人視覺系統包括光源、數字圖像采集與處理系統、智能決策與控制執行系統等。機器人視覺系統分為三代[11-12]。第一代主要功能為圖像采集與處理，功能簡單；第二代有一定的學習自適應能力；第三代采用高速圖像處理芯片，具有一定的人工智能和機器學習能力[13-14]。（2）計算機視覺。計算機的視覺可分為兩種，一種只需要圖形的被動方法，另一種則需要控制光源進入特定環境進行主動的獲取。與被動的獲取不同，主動獲取通過自身光源創造自己所需的拍攝環境。以ToF（Time of flight）相機為例，采用肉眼不可見的紅外照明，通過光線反射時間從而計算深度，從而通過像機獲取實時圖像及三維深度信息。ToF相機在醫學的內鏡等領域有極為廣泛的應用。（3）視覺定位技術。常規腹腔鏡圖像分辨率可達到1920×1080像素，圖像分辨率高，可滿足常規手術的需要[15]。然而，二維成像技術難以滿足日益提高的手術精度要求。二維成像技術由于在透視投影變換中消去了深度信息，可能導致對一些重要的生理解剖結構等視覺錯覺，影響手術安全。二維成像技術的不足促進了三維成像技術的發展。達芬奇手術機器人成像系統[16]采用高分辨率三維內窺鏡，能為醫生提供患者體腔內三維高清實時圖像，從而更方便高效地完成手術，提升了手術精度。

立體視覺通過利用多幅二維圖像恢復物體三維空間的位置與形狀，是三維重建技術的主要方法[17]。雙目立體視覺系統模仿人類眼睛的成像原理，從不同視覺角度觀察同一物體的立體視覺系統[18-19]。雙目立體視覺定位系統通過兩個不同攝像頭進行圖像采集確定像機的相位位置和姿態，完成系統標定，然后求出空間點在兩幅圖像間的對應關系，從而可根據雙目視覺原理對匹配好的特征點進行三維重建，最終得到三維場景模型。

3.3 虛擬仿真

醫生可借助相關軟件通過對獲取的三維圖像和三維場景進行多次虛擬手術，得到最佳解決方案。這些軟件包括Mimics和Dolphin Imaging等，它們提供了三維分析、模擬截骨手術、模式識別與轉換等諸多功能，Dolphin等軟件甚至可以通過相關算法使用彩色增強圖像的真實感與渲染感，方便醫生制定更完備具體的手術計劃。

3.4 實時導航系統

手術實時導航系統目前被廣泛應用于脊髓科，骨科，神經科，牙種植外科等醫學領域，也被應用于術后創傷回復等方面。手術導航系統主要流程：將CT等設備獲取的人體數據與醫生擬定的手術計劃裝訂至導航計劃軟件中，一般可將預定標識或牙齒、骨頭等作為參考點標記三維重建場景中；通過這些參考點，可建立虛擬圖像與病人實體間的對應關系；最后通過參考點對實際手術與虛擬手術進行匹配驗證和導引。

3.5 虛擬與現實的聯系

手術仿真系統工作模式表2所示，手術仿真系統可分為離線仿真式、主從操作式以及監控式[20]。

4 結語

手術機器人導航與控制技術面臨的主要問題：（1）受到圖像處理與目標識別技術的限制，在處理大分辨率圖像或者復雜背景特征提取時，圖像處理實時性較差和特征識別成功率較低，不能有效快速地識別目標。（2）標定結果誤差、軟硬件干擾均會導致視覺系統誤差增大[21]，影響手術效果。

以下幾點是今后一段時期內手術機器人發展的重要突破方向：（1）降低制造成本及使用維護成本，使手術機器人更加普遍的投入應用；（2）簡化手術機器人復雜的結構設計，簡化操作步驟，使醫生使用更加方便。（3）小型化與遠程化，設備體積更小、易于運輸，遠程手術技術更加成熟；（4）智能化，具備一定的人工智能，對醫生的相關操作進行預測、評估與告警。

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