醫療機器人研究、應用現狀及發展趨勢

劉偉，趙瀟，傅揚

1.湖北文理學院附屬醫院/襄陽市中心醫院 設備處，湖北 襄陽 441000；2.湖北文理學院 機械工程學院，湖北 襄陽 441000

引言

機器人技術目前已經發展到集計算機、圖像、機械、材料、電子、仿生以及控制等多個學科為一體，在工業、軍事、農業、建筑以及醫學等領域有廣泛運用。在工業機器人誕生后，有學者考慮將機器人技術引進到醫療手術中，手術機器人最早出現在1985年的神經外科手術中，該機器人作為臨床活檢輔助設備被運用，在機器人的輔助下醫生的治療操作更加精確[1]。新的定位技術MRI 在1995 年引入機器人輔助顯微外科手術系統中，該系統有6 個運動方向，使其機械臂更加靈活，且圖像更加清晰[2]。隨后通過內鏡通道能夠對患者體內病變區進行組織鑷、激光等操作的機器人系統NeuRobot 被研發出來[3]。2007 年Medtech 公司研發集導航定位、多模態圖像融合重建以及觸覺反饋等功能的ROSA 手術機器人輔助系統取得成功，并廣泛運用到多種外科手術中[4]。機器人外科手術系統在醫療領域的應用得到迅速發展，相較于傳統腹腔鏡手術，機器人手術因具有諸多優勢受到了臨床醫生與患者的青睞，成為微創外科發展的重要方向[5-6]。本文旨在總結醫療機器人的發展與應用現狀，并提出存在的問題及未來的發展方向，以期為后續醫療機器人的臨床應用提供理論依據。

1 醫療機器人的分類

醫療機器人是在機器人技術基礎上融入醫學、生物學、信息學等元素發展而來的，是集信息系統、控制系統、機械系統以及影像系統為一體的醫療器械[7-8]。醫療機器人在國際市場上的產業規模由2017 年的119 億美元增長至2021 年的207 億美元，漲幅達73.9%。國內醫療機器人在市場經濟、技術以及相關政策的推動下，得到快速發展，醫療機器人產業規模自2017 年起每年保持著30%的增長速度，截止到2021 年全國醫療機器人產業規模已經達到79 億元，其中，醫療手術機器人的產業規模得到快速增長，2021 年度達到52.5 億元，在國內醫療機器人產業規模占比66.5%[9]，見圖 1～2。

圖1 國內外醫療機器人產業規模對比圖

圖2 中國醫療機器人市場規模圖

隨著機器人技術的飛速發展，醫療機器人技術也變得成熟起來，并在現代醫學中大放異彩。醫療機器人技術的引入使得精準、微創、差異化治療成為可能。以2017 年國內使用醫療機器人進行手術數量為例，2017 年機器人手術案例量達到6069 萬例，其中普外科、婦科、泌尿外科和骨科是使用醫療手術機器人的重點科室，分別占比18%、13%、28%以及6%，占全年手術量的65%[10]，見圖3。

圖3 國內使用醫療機器人手術類型圖

1.1 手術機器人

手術機器人類型多樣，尚未有統一的劃分標準，目前主流的劃分方式是根據臨床應用的場景劃分為骨科手術機器人、腔鏡手術機器人、經皮穿刺手術機器人、泛血管手術機器人、經自然腔道手術機器人以及神經外科手術機器人；按操控方式可以劃分為被動支撐手術機器人、協同操作手術機器人、主動驅動手術機器人以及主從遙控操作手術機器人。

骨科手術機器人、腔鏡手術器人以及神經外科手術機器人的研究較為成熟且臨床應用也更多，本文以這3 種手術機器人為主要研究對象進行分析。手術機器人作為一種先進的智能醫療手段，能夠精準地在人體血管、腔道和神經分布密集的病變區域進行微創手術，不僅能夠降低感染風險，還能夠有效縮短術后康復時間，極大提升患者術后的生活質量[11]。

1.1.1 骨科手術機器人

第一個引入到脊柱外科手術的機器人是在2004 年通過美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）認證的Spine Assist?半自動系統機器人（Mazor Robotics），該機器人具有6 個自由度，主要用于胸腰椎螺釘位置的固定[12]。時隔7 年，該公司推出第二代名為Renaissance?的脊柱手術機器人，Renaissance?機器人在Spine Assist?的基礎上加以升級，升級后螺釘位置固定成功率提高到98.9%，這兩款機器人在世界范圍內得到廣泛運用[8]，隨后又出現了性能更為先進的脊柱手術機器人：Mazor X、ROSA?Spine、Excelsius GPS?等脊柱類機器人。

在人工關節置換術的手術中最具備代表性的機器人系統有第一代的ROBODOC，該機器人系統配置有規劃功能，能夠幫助臨床為患者選擇最符合的假體，匹配率較高，但因為其自身故障率較高，術后易出現并發癥等問題已經被臨床淘汰。目前更為先進的關節手術機器人是MAKO 和NAVIO PFS 機器人系統，這兩款機器人均具有觸覺反饋裝置，能夠幫助醫生對力道進行把控，更好地對患者進行手術治療。

國內較為成功的通用型骨科手術機器人是2016 年得到國家藥品監督管理局資質認證的天璣機器人，該機器人是世界范圍內第一臺通用型骨科手術機器人，能夠在13 個不同身體部位進行手術，且其在脊柱類手術中的定位精度方面處于國際領先水平[13]。

1.1.2 腔鏡手術機器人

腔鏡技術相對傳統開放式手術來說更具優勢，腔鏡技術的出現開啟了手術微創化之路，但腔鏡技術存在相應的缺陷和局限性，難以適用情況較為復雜的手術。為應對這一情況，腔鏡手術機器人系統隨之誕生。

第一臺微創手術機器人于20 世紀80 年代初研制出，并應用于泌尿外科手術，開啟了微創手術機器人時代[14]。經過技術的革新與發展，腔鏡手術機器人研發最成功的是1999 年由美國直覺機器人公司研制的達芬奇機器人系統，該機器人系統由控制臺、機械臂系統和成像系統3 個部分構成[15]。隨著不斷發展，達芬奇機器人系統已更新至第五代，目前應用最廣的是第四代機器人系統，該系統打破傳統布局，將視野鏡頭和機械臂置于吊塔上，還可以根據術中情況將視野鏡頭與機械臂調換位置，這樣能夠更好地方便醫生操作。開放式手術、腔鏡手術兩種手術術后疤痕較大，嚴重影響患者的生活質量，患者對手術創傷面的微創化、美觀化的需求較高[16]，達芬奇機器人手術是當下微創外科手術機器人最具權威性的代表之一，攻克了傳統腹腔鏡的很多技術難題，截止到2019 年初，在世界范圍內已經安裝4800 多臺，在手術機器人安裝方面處于領跑階段。國產腔鏡手術機器人的研發還處于“嬰兒”階段[17]，目前較為成功的是“妙手”系列腔鏡機器人，該機器人系統已完成多項臨床手術，在膽囊摘除、胃癌根治等多項復雜案例中得以運用，在未來可實現規模化生產。其他代表性的國產腔鏡手術機器人系統還有“神刀華佗”“華鵲-II”等[11]。

與傳統腹腔鏡的設備和器械相比，腔鏡手術機器人系統在靈活性、精確性和穩定性等方面擁有極其明顯的優勢。此外，腔鏡機器人手術系統具有更大術野放大倍數，決定了其精細且靈活的操作特點，尤其是在狹窄空間內，更能體現腔鏡手術機器人的優越性能，這是傳統開放式手術以及腹腔鏡手術無法比擬的。因此，腔鏡機器人較適用于空間狹小、神經豐富的手術情況。

1.1.3 神經外科手術機器人

Analysis on the Education Reform Approaches of “Growing-up Adult” in Higher Vocational Colleges——A Case Study of Hebei Tourism Vocational College________________________________LIU Zhanming,XU Xinguo et al 89

神經外科手術對臨床醫生的操作熟練度要求極高，在保證操作精準度的前提下患者才能得到有效救治，否則極易引發醫療事故甚至導致患者死亡[18]。機器人系統在定位精度、穩定性等方面有著明顯的性能優勢，因此神經外科手術機器人受到臨床一線人員的青睞。自1985 年誕生首款神經外科機器人PUMA 后[4]，市面上陸續出現了Neuromate、ROSA Brain 和“睿米”等具有代表性的神經外科機器人，這些機器人主要用于輔助臨床醫生進行立體定向手術。其中，“睿米”機器人是由我國自主研發的神經外科機器人，該款機器人主要用于腦外科手術定位，定位精度可達1 mm，并在腦出血、癲癇等疾病的治療中表現出優異性能[19]。

1.1.4 遠程手術醫療機器人

遠程手術醫療機器人又稱異地手術機器人，遠程手術機器人系統由主要控制部分、從機器人部分、感應部分、接收部分、圖像處理部分以及顯示部分組成。醫生在主控制臺進行操作，通過工具模擬器將動作轉化為數字信號，由網絡傳輸至從機器人部分對患者進行治療。隨著大數據、互聯網時代的快速發展，異地治療、遠程手術的實現成為可能并得以推廣。第一例運用機器人輔助的遠程手術是由2001 年美國醫療團隊主導的膽囊切除手術，該手術的成功標志著遠程手術機器人時代拉開序幕[20]。但局限于網絡技術發展的不足，遠程手術過程中存在畫面延遲、信息數據傳遞不流暢等問題，嚴重制約了遠程手術醫療機器人系統的普及。

目前，第五代通信技術（5G）已經得到全面普及，其峰值數率最高為20 Gbps，傳播速率一般在10 Gbps，以往的網絡延遲等問題得到根本上的解決，這對互聯網醫療、遠程醫療的發展起到促進作用，遠程醫療機器人系統由此迎來快速發展。世界第一例基于5G 網絡遠程式人體手術——腸道腫瘤切除術的成功實踐正式拉開5G 網絡遠程會診、治療的序幕。國內首例遠程手術是由海南神經外科專家通過5G 網絡對帕金森病患者進行“腦起搏器”植入操作，此次案例填補了國內遠程式手術的技術空白[21]。基于5G 網絡的骨科手術機器人在醫療行業內的“一對多”模式中表現優異。2019 年，北京積水潭醫院的專家通過5G 網絡操縱機器人同時對浙江、山東兩名骨科患者進行手術并取得較好的治療效果；同年，北京同時連線新疆、河北、天津進行“一對三”遠程骨科會診、治療，國內遠程手術發展取得重要突破[22]。同年，新型冠狀病毒肺炎在世界范圍內傳播，該病毒傳染性極強，致死率極高，嚴重威脅人民及醫務人員的生命安全，超聲及影像設備能夠幫助臨床更好地獲取疑似病例患者的情況，5G 遠程超聲機器人系統孕育而生，有效地保護了醫務人員的生命安全[23]。有資料顯示，第六代通信網絡（6G）已經開啟研發準備工作，6G 的傳輸能力可提高至1000 Gbps，是現有5G 的100 倍，同時網絡延遲也會從現有的ms 級降低到μs 級，真正意義上實現“面對面”交流[21-22]，為異地診斷、操作提供了必要的技術支撐。此外，量子通信、VR 等先進技術不斷涌現，這將徹底顛覆現有醫療模式，遠程醫療模式、遠程機器人系統將會得到全面普及。

1.2 康復機器人

康復機器人的出現能夠將醫務人員從繁雜、重復的訓練任務中解放出來，降低醫務人員的工作強度，同時康復機器人系統會詳細記錄患者的生理以及訓練強度等指標，這樣可以為臨床提供數據從而制定更科學、更符合患者且具有針對性特點的康復訓練方案，幫助患者早日回歸正常生活[24]。康復機器人是在康復醫學理論的基礎上進行研發的輔助治療性機器人系統，能夠輔助患者進行認知言語、運動行走等方面的康復訓練。市面上的康復機器人主要有肢體康復、全身康復兩種類型，臨床主要用康復機器人對患有腦癱、帕金森病、孤獨癥以及腦卒中等疾病導致的功能障礙的患者進行治療，研究表明使用機器人對患者進行科學有效的治療后可以有效提升患者生活質量[25]。20 世紀80 年代末期第一款概念性康復機器人Handy1 的出現開創了康復醫學領域新局面，隨后有性能更好的康復機器人被研發并投入市場，具代表性的有Armeo Power、SPAR、ReStore、Novo Skeleton 等[26]。2000 年國內第一款神經康復訓練機器人系統誕生，隨后多個科學團隊相繼研究康復機器人并取得多項研究成果，但大多研發的康復機器人系統仍處于臨床試驗階段，尚未形成完整的產業鏈，還有較長的路要走。

1.3 社會輔助機器人

社會輔助機器人本質上是通過科技手段對無法自主生活的人群進行干預，對日常生活提供一定的幫助，實現生活護理、情感陪護以及康復鍛煉等目標。全球正面臨著人口老齡化的問題，隨著時間的推移，大多數老年人的部分自主生活能力會弱化甚至喪失，這就需要投入大量的人力及醫療資源對這類人群進行照顧，社會輔助機器人的出現大大緩解了醫療資源不足的情況。Resyone 輔助機器人可以從電動輪椅切換至單人床模式，如此可以解決患者行動不便的問題，僅需一個陪護人員就可以完成多項陪護任務[27]。針對患有孤獨癥或經常感到孤獨的群體，社交機器人是一個不錯的選擇，除了負責患者的日常生活，還能夠與患者進行情感交流，有文獻顯示使用過此類機器人的患者群體會更愿意走出家門與人交流[28]。國內最早開始社會輔助機器人研究是在1990 年，5 年后清華大學研發出一款針對高位截癱患者的護理機器人，隨后社會輔助類機器人在我國得到深入研究，天津哈士奇機器人的出現標志著我國社會輔助類機器人技術進入新的時代[28]。

2 醫療機器人優勢、局限性及發展趨勢

2.1 醫療機器人優勢

與傳統開放式手術、腹腔鏡手術相比較，手術機器人系統在術中立體化視野、消除人為抖動以及精細化操作等方面的優勢顯著，經機器人輔助后手術時間明顯減少[29-30]，系統自帶的智能操作功能能夠增強操作者的穩定性，從而實現安全、可靠以及可重復的治療。機器人手術具有創口小、恢復快、感染率低的優勢，同時能加強臨床醫生應對復雜手術的能力。根據目前手術機器人已完成的治療案例來看，患者術后并發癥明顯減少，術后恢復情況以及生活質量均有改善。以子宮內膜癌患者為例，用機器人手術的圍手術期指標（體質指數＞30 kg/m2）與傳統方式進行對比，結果表明用機器人手術的患者的中轉開腹率更低、平均住院時間更短，且清掃淋巴結數量明顯增加[29]。從人體學角度來看，手術機器人的引入不僅能為主刀醫生提供舒適的手術環境，還能夠延長其職業生涯。有文獻表明在同種類手術中，機器人手術同腹腔鏡手術相比，手術機器人可以明顯降低外科醫生的學習難度并縮短周期，如同類的腹腔鏡手術，新手從開始到能夠獨立自主且熟練操作需要大約40～90 例患者，而從剛開始使用機器人進行手術到完全掌握僅需要15～25 例患者[30]。以上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院用機器人開展的甲狀腺手術為例，經過35 例后，新手手術臨床操作能力明顯增強，80 例后手術時間基本保持穩定，相較傳統手術方式用時更短[31]。

2.2 醫療機器人局限性

醫療機器人的結構極其復雜，需要特定環境進行安裝，不僅生產成本極其昂貴，安裝后維護費用、人力成本也居高不下，必然會導致患者就醫成本的大幅增加。目前醫療機器人在世界范圍內相對其他醫療設備來說安裝率較低且分布不均勻，大多數已安裝的醫療機器人分布在經濟、技術領先的發達國家，發展較為落后的國家或地區因為醫療機器人的造價昂貴、維護成本極高以及患者的醫療負擔較重等原因難以安裝，導致醫療機器人很難短時間內在世界范圍內全面推廣。受限于科技和經濟的發展，現有的醫療機器人大多需要人為干預，自動化、智能化程度較低，導致現有醫療機器人的功能較為單一，只能在一定程度上降低臨床醫生的工作強度。在手術過程中，醫生雖然全程參與救治，但直接與患者接觸的卻是機器人，機器人尚不具備人類的情感和“自主意識”，只是單一執行人類給予的指令，這就意味著當機器人出現故障時可能會直接危害患者的生命[32]。

2.3 發展趨勢

現有無創技術大多是基于人體自然腔道進行手術，限制因素較多，手術機器人系統在微創方面還有較長的路要走。目前常規的腔鏡手術機器人一般需要2～4 個創口才能完成手術，最先進的達芬奇機器人系統僅需要一個創口[33]，在后續發展過程中會繼續朝著微創甚至無創的方向前進。納米機器人技術的出現將使無創手術大范圍普及成為可能，目前已有科學團隊開啟納米機器人對癌癥治療的試驗階段，通過DNA 折紙技術將治療癌癥的藥物通過納米機器人運輸到病變區域從而達到殺死癌細胞的目的，實驗結果表明殺死癌細胞的成功率比傳統藥物治療的效果更好[34-35]。微型化、微創化將會是手術機器人發展的一個方向。此外，現有手術機器人系統的成像系統與人體實際組織匹配精度尚不完善，尤其是在人體的軟組織方面進行空間匹配耗時較長、難度較高，需要運用先進的圖像分割、重建設備進行精準匹配[36]，手術機器人系統與超聲、磁共振等成像方法相結合會是未來的重要發展方向之一。最后，臨床醫生在手術過程中通常會通過觸診來判斷，而醫療機器人從誕生起就缺乏力觸覺反饋裝置，增加了臨床醫生在救治過程中的風險，限制了醫療機器人的進一步發展[37]，這將是醫療機器人在后續發展過程中需要考慮的重要因素之一。

3 總結與展望

醫療機器人在現代醫學中扮演著越來越重要的角色，它的出現極大程度提高手術成功率，降低醫療工作者的勞動強度，加快患者術后康復進度，提升患者的生活質量。在未來，醫療機器人會隨著科技的進步得到進一步發展，在不違背“機器人準則”的情況下獲得更多的“自主權”，更好地服務人類。隨著醫療機器人技術的不斷發展，機器人在某些方面的性能可能會超過人類的極限，當醫療機器人技術高度成熟時有望“自主”完成一部分醫療救治；其次，醫療機器人將具備更高的協作能力、可靠性能、集成化程度，在人機交互方面會實現觸覺、視覺方面的交互反饋，使臨床交互更快捷且自然。綜上所述，手術機器人系統的引入極大地推進了現代醫療的發展，對人類有著重要意義，但在運用尖端醫療技術時不能忽視其帶來的倫理風險，應盡早制定好行業規范來應對可能發生的風險，認識到一切先進醫療技術必須堅持服務于人類，對醫療行業發展起到積極正面的促進作用。