趙琛,曹煜楨,徐凱.手術機器人的前世今生[J].世界科學,2023,No.530(02):35-38.

手術機器人是集臨床醫(yī)學、機械學、生物力學、計算機科學等學科于一體的集成操作系統(tǒng)。得益于機械控制、視覺成像、光電技術、人工智能等技術的發(fā)展，手術機器人在醫(yī)療領域的應用推動手術向智能化、精準化、微創(chuàng)化方向發(fā)展。在提升手術效果、改善醫(yī)生工作環(huán)境的同時，手術機器人技術可以進一步減輕病人創(chuàng)傷，實現(xiàn)更加安全可靠、重復性高的手術治療。

雖稱為“機器人”，但手術機器人距離真正代替醫(yī)生、獨立進行手術的智能時代還有很長的發(fā)展路程，目前仍處于輔助醫(yī)生完成手術的半自動階段，針對不同病理而形態(tài)各異的手術機器人只取代或增強醫(yī)生的手部動作，操作決策還需要醫(yī)生的判斷。因此在數(shù)十年發(fā)展經(jīng)驗的積累下，探索以提高患者獲益為最終目標、融合更加完善智能技術的手術機器人具有很大的挑戰(zhàn)和重要的意義 。

手術機器人的起源與發(fā)展

更微創(chuàng)的手術有利于減少大創(chuàng)口給病人帶來的痛苦、加快術后恢復速度，是促使手術機器人出現(xiàn)的重要原因。同時，機器人精準的定位和動作，使其在需要精細操作的手術場景中發(fā)揮重要作用，因而已在普外科、神經(jīng)外科、泌尿外科、骨科、婦科等多個領域得到應用。按照手術目標臟器類型，手術機器人可分為硬組織機器人和軟組織機器人。針對硬組織，主要包括神經(jīng)外科和骨科手術機器人；針對軟組織，可分為腔鏡手術機器人、經(jīng)自然腔道手術機器人、血管介入手術機器人和經(jīng)皮穿刺手術機器人。

手術機器人發(fā)展初期主要集中在工業(yè)機器人到手術機器人的應用探索，以神經(jīng)外科和骨科為主要手術場景，利用工業(yè)機器人定位精度高的優(yōu)勢實現(xiàn)簡單的手術操作。1985年郭易山（Yik San Kwoh）等采用PUMA 200工業(yè)機器人完成的神經(jīng)外科腦部手術，是機器人技術在手術場景中的首次應用，從而拉開了手術機器人發(fā)展的序幕。1988年探針（Probot）系統(tǒng)完成了手術機器人輔助下的首例前列腺手術。1992集成外科系統(tǒng)公司設計的機器人醫(yī)生（Robodoc）系統(tǒng)完成了全髖關節(jié)置換術，并獲得首個美國食品藥品管理局（FDA）認證。在神經(jīng)外科手術中，手術機器人實現(xiàn)了微創(chuàng)手術替代傳統(tǒng)開顱手術的重大轉變。定位問題是手術中的關鍵，傳統(tǒng)神經(jīng)外科手術使用立體定向手術工具，需要患者在清醒時佩戴頭架，過程十分痛苦，同時手術耗時長、視野存在死角。手術機器人利用機械臂實現(xiàn)精準定位，可應用在癲癇、帕金森病、腦腫瘤和腦出血等治療中。傳統(tǒng)骨科手術中的關節(jié)置換手術、脊柱手術、骨科創(chuàng)傷手術具有精度差、截骨誤差高、植釘不良率高等臨床痛點，手術機器人的使用可提高手術精確度和穩(wěn)定性、減少神經(jīng)血管的損傷、避免癱瘓等嚴重并發(fā)癥。

隨著顯微手術和腹腔鏡手術的實現(xiàn)，手術機器人發(fā)展進入突破階段，面對臨床需求實現(xiàn)了更加靈活精巧的動作、更高的手術精度，同時采用遙操作大幅減輕了醫(yī)生的疲勞程度。顯微手術與發(fā)展初期的神經(jīng)手術最大的區(qū)別在于前者不再通過植入電極進行刺激，而是對神經(jīng)直接操作實現(xiàn)治療。從開放手術到腔鏡手術再到經(jīng)自然腔道手術，手術方式逐漸向微創(chuàng)化發(fā)展。1993年美國電腦動作公司開發(fā)的伊索（Aesop）機器人完成首例腹腔鏡手術，在此基礎上研制的Zeus系統(tǒng)采用了主從遙操作技術。1997年直覺外科公司研制的達芬奇手術系統(tǒng)完成首次人體試驗，并于2000年獲得FDA批準，在保證患者創(chuàng)傷面積小的基礎上，提高了手術操作精準性和靈活性，使機器人技術在手術場景中的應用得到更加廣泛的關注。針對腔鏡手術中器械運動受限、器械通過人體切口的“蹺蹺板效應”、術野差、醫(yī)生容易疲勞等臨床痛點，達芬奇手術機器人通過植入腕部關節(jié)增加腔內靈活性，采用遙操作主從運動實現(xiàn)直觀操作，并通過高清雙目成像形成直觀的手眼協(xié)調循環(huán)。

達芬奇手術機器人在商業(yè)化上的巨大成功，推動手術機器人進入多元化發(fā)展階段，在關節(jié)手術、脊椎手術、單孔腔鏡手術、多孔腔鏡手術、血管介入手術、神經(jīng)外科手術等場景中取得進一步發(fā)展。

典型手術機器人的技術淺析

神經(jīng)外科手術機器人 1985年，美國長灘紀念醫(yī)學中心放射科郭易山團隊使用工業(yè)機器人PUMA 200進行了腦部立體定向活檢，利用工業(yè)機器人重復定位精度高的特點引導穿刺針進行活檢。但因病人頭部相對于機器人基座難以進行配準，手術系統(tǒng)的總體精度仍不太高。1991年，智慧女神（Minerva）是最早能提供實時影像引導的系統(tǒng)，可以自動進行皮膚切開、顱骨鉆孔和儀器操作，并利用術中CT掃描克服腦組織移位問題。該系統(tǒng)雖然提高了精確性，但輻射和操作安全性存疑，后續(xù)即停止研究。1997年，神經(jīng)伙伴（NeuroMate）是最早獲得FDA批準的用于臨床的神經(jīng)外科手術機器人，機器人采用五自由度、低速設計，可實現(xiàn)術中有框架和無框架定位。

按照操作方式，神經(jīng)外科手術機器人可分為定位型和操作型。定位型手術機器人例如英國的NeuroMate、美國的探路者（Pathfinder）和羅莎一號大腦（ROSA ONE Brain）、國內的華科精準西諾機器人（Sino Robot）和華志微創(chuàng)CAS-R-2。操作型手術機器人需要對神經(jīng)進行精細調整，對機器人系統(tǒng)的要求遠高于定位型。

目前已有大量定位型手術機器人實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但操作型機器人絕大多數(shù)還處于實驗室階段，甚至可能需要克服在核磁環(huán)境下精準操作的驅動、傳感、控制和無菌化問題。神經(jīng)手臂（NeuroArm）是首臺具備顱內操作功能的神經(jīng)外科手術機器人系統(tǒng)，系統(tǒng)對磁共振成像無干擾。

感知與定位是神經(jīng)外科手術機器人的關鍵技術，包括病灶、局部和全局的感知與定位。病灶的感知與定位通過多模態(tài)三維可視化影像處理技術實現(xiàn)，包電子計算機斷層掃描（CT）、核磁共振成像（MRI）、正電子發(fā)射計算機斷層成像（PET）、彌散張量成像（DTI）技術，多用于術前進行更加安全有效的手術規(guī)劃。局部感知與定位通過配準實現(xiàn)術中的病灶定位，可采用植入、粘貼標記或3D結構光/表面重建的方式。手術環(huán)境的全局感知基于智能避障和姿態(tài)補償技術實現(xiàn)，為未來自動化手術奠定基礎。

骨科手術機器人 19世紀及以前，骨科手術還處于依賴醫(yī)生經(jīng)驗的時代。20世紀中后葉，隨著影像技術的發(fā)展，影像引導醫(yī)生可以進行更加精準的骨科手術。到了21世紀，機器人在手術中的應用使骨科手術進入了機器人智能輔助時代。

最早實現(xiàn)技術和商業(yè)應用的骨科手術機器人分為被動型、半主動型和主動型三種。主動型機器人使用機器人自主完成手術過程，包括1986年美國的機器人醫(yī)生和1997年德國的卡斯帕（Caspar）。該類手術機器人出現(xiàn)的時間最早，但因安全性、手術效率、準備時間等問題，此類系統(tǒng)無法得到推廣與應用。因此，目前骨科手術以半主動型和被動型機器人為主。半主動型機器人由醫(yī)生與機器人共同操作；被動型機器人本身不進行手術操作，醫(yī)生具有完全的主動控制權。1992年倫敦帝國理工學院開發(fā)了首個半主動型骨科機器人，首次引入“觸覺感知”理念，并將術前規(guī)劃信息映射到手術操作區(qū)域，由機器人提供操作區(qū)域約束，醫(yī)生通過拖拽實現(xiàn)骨骼成形操作。

骨科手術機器人典型的系統(tǒng)組成中，導航定位系統(tǒng)采用光學定位、術中CT、磁導航等方式，進行經(jīng)濟適用的配準定位；手術規(guī)劃系統(tǒng)實現(xiàn)智能化建模與規(guī)劃；機械臂執(zhí)行系統(tǒng)通過滿足臨床需求的高性能硬件與運動控制，實現(xiàn)機械臂的操作。

在脊柱外科手術中，目前手術機器人主要針對的臨床術式為椎弓根釘固定術，采用醫(yī)學影像規(guī)劃實現(xiàn)空間精準定位，機械臂自主完成或導引醫(yī)生完成植入通道鉆制操作。針對創(chuàng)傷骨科手術，前期的研究主要應用于長肢骨骨折復位手術，但由于骨折手術分型的多樣性，創(chuàng)傷骨科機器人目前還沒有實現(xiàn)廣泛臨床應用與產(chǎn)品化推廣。

血管介入手術機器人 血管介入手術是在醫(yī)學影像導航輔助下，操作導管、導絲等介入器械在患者血管中按術前規(guī)劃路徑前進，精準到達病灶位置并進行治療。傳統(tǒng)血管介入手術中，醫(yī)生在透視成像的輔助下，通過在血管內遞送、旋轉導絲導管完成血管內壁支架搭建、血栓溶解和藥物放置。但長期暴露在輻射中，對醫(yī)生健康造成嚴重威脅，同時鉛防護圍裙負重大，手部疲勞、顫抖等因素對操作精度帶來較大影響。因此血管介入手術機器人通過輔助醫(yī)生遠程控制導管、導絲進行手術，可避免X射線暴露，實現(xiàn)更高的操作精度和更穩(wěn)定的手術結果。

早期的血管介入手術機器人基于磁導航系統(tǒng)。2004年，美國立體定位（Stereotaxis）公司設計了第一代磁導航系統(tǒng)Telstar，但系統(tǒng)需要特殊的導絲、導管，無法進行球囊、支架操作，同時操作距離和力量有限。2006年以色列RNS血管介入手術機器人系統(tǒng)采用了電機械系統(tǒng)，通過設計導絲導航器推送和旋轉導絲，有效提高介入手術精確度。在RNS基礎上，2012年美國醫(yī)療機器人公司Corindus開發(fā)了CorPath200機器人系統(tǒng)，并由此改進了更精準的CorPath GRX血管介入手術機器人。美國漢森公司開發(fā)的Sensi X1采用了可彎曲的主動導管，Sensi X2系統(tǒng)在此基礎上增加了導管尖端力反饋。血管介入手術機器人根據(jù)手術部位可分為冠脈介入、神經(jīng)介入和外周介入。在此基礎上發(fā)展的泛血管介入手術機器人可同時開展多種術式，避免手術過程中導管、導絲的更換，因此無需定制專用手術器械，可減少醫(yī)院采購費用。

血管介入手術機器人的關鍵技術中，圖像導航系統(tǒng)通過血管成像判斷介入器械位置；導管設備采用主動驅動導管以適應不同血管和手術步驟；機械臂結構需具有高柔順性和靈活性，精準快速操作導管；添加力反饋系統(tǒng)可以將血管接觸力反饋于操作端，從而減少血管破裂的風險。

經(jīng)皮穿刺手術機器人 傳統(tǒng)經(jīng)皮穿刺手術中，醫(yī)生在醫(yī)學影像引導下，采用穿刺針或導管，經(jīng)過人體皮膚，直接到達患部對病灶進行診斷或治療。掃描與穿刺同步進行或異步進行的方式都具有缺乏實時準確的術區(qū)信息感知、呼吸作用導致難以刺中靶點、對醫(yī)生技術依賴性大等臨床痛點。

經(jīng)皮穿刺手術機器人的關鍵技術中，術前醫(yī)學成像采用CT、MRI等技術采集病變部位醫(yī)學圖像。路徑規(guī)劃和導航定位系統(tǒng)是另一關鍵技術，可基于光學系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)實現(xiàn)定位導航。在穿刺過程中，針對軟組織的受力變形、穿刺針的彎曲變形以及穿刺針受力導致的穿刺路徑變化，需進行合適的變形補償。此外，需克服手術過程中的不自主體動，胸部、腹部穿刺時，靶點位置會隨呼吸運動而改變，人體疼痛反應也會產(chǎn)生不自主的肌肉收縮進而影響體表定位。

穿刺活檢手術機器人在乳房活檢、肺部活檢、前列腺活檢等手術中都有廣泛應用。與消融相結合，經(jīng)皮穿刺手術機器人也可應用于腫瘤消融。

腔鏡手術機器人 腔鏡手術機器人是目前產(chǎn)生商業(yè)價值最大的一類手術機器人，應用范圍廣泛，主要應用于泌尿外科、婦科、普外科以及心胸外科等領域。以達芬奇系統(tǒng)舉例，腔鏡手術機器人通常由醫(yī)生控制臺、機械臂及影像系統(tǒng)組成。

腔鏡手術機器人可分為多孔腔鏡手術機器人及單孔腔鏡手術機器人。多孔機器人采用多個切口完成手術治療，操作方便，手術視野廣。單孔機器人僅采用單個切口，創(chuàng)傷小、恢復快，在高度聚焦的狹窄空間進行手術更有優(yōu)勢。目前多孔機器人的市場被美國完全壟斷，單孔機器人中達芬奇SP手術系統(tǒng)占領先地位。

多孔腔鏡手術機器人構型相對統(tǒng)一，由體外機械臂和長桿狀手術工具組成。手術工具末端通過增加腕關節(jié)以提高操作靈活性，常見的有滑輪鋼絲機構、連桿驅動機構、連續(xù)體機構、窄帶變形機構等，通過它們實現(xiàn)腕關節(jié)的運動。體外機械臂滿足遠心運動約束，使得直桿手術工具始終通過病患身體上的一個切口，不會對病患腹腔壁造成牽拉?？蓪崿F(xiàn)RCM運動的機構有平行四邊形機構、同步帶等效平行四邊形機構、平行四邊形和并聯(lián)機構、球面連桿機構、純并聯(lián)機構、空間導軌機構等。機器人系統(tǒng)一般配有3D腹腔鏡，通過選配體感操作和力反饋系統(tǒng)可提高操作準確度。單孔腔鏡手術機器人的研制更為困難，腔鏡直徑是設計的關鍵，通過單個切口需放置一個視覺模塊和2~3支手術臂，視覺模塊須集成照明功能，手術臂須有足夠的強度和工作空間。根據(jù)驅動形式不同，單孔腔鏡手術機器人有多種實現(xiàn)方式。鋼絲驅動型系統(tǒng)中，2014年美國直覺外科公司開始研發(fā)的Vinci SP系統(tǒng)，采用了直徑25mm腔鏡。但鋼絲驅動的多關節(jié)手術工具因難以放入足夠的滑輪，鋼絲不耐磨損，繃斷風險高。電機內置型系統(tǒng)在手術工具內部植入微電機，為避免高頻高壓電對電機運動控制的影響，需在電機旁進行電磁防護，手術臂粗大，成本昂貴。為替代鋼絲驅動，日本早稻田大學和韓國大邱慶北科學技術院（DGIST）研究所分別研制了連桿驅動型系統(tǒng)，但系統(tǒng)運動靈活性不足。

連續(xù)體機構型系統(tǒng)基于對偶連續(xù)體機構，通過機構整體變形實現(xiàn)手術執(zhí)行臂運動，運動靈活。連續(xù)體同時承擔結構和變形傳動的作用，可以實現(xiàn)更加緊湊的設計。2014年上海交通大學徐凱教授團隊研制的直徑12mm腔鏡SURS系統(tǒng)，實現(xiàn)了世界最小皮膚切口。腔鏡手術機器人擁有巨大且快速增長的市場。美直覺外科公司的達芬奇手術系統(tǒng)占據(jù)行業(yè)絕對壟斷地位，此外美國TransEnterix公司的Senhance、韓國Meere公司Revo-i、美敦力Hugo系統(tǒng)等產(chǎn)品均已獲批上市。在單孔腔鏡手術機器人賽道，2007年世界首套單孔腔鏡手術機器人IREP系統(tǒng)在美國哥大立項，2015年美國直覺外科公司的達芬奇SP單孔系統(tǒng)基本完成研發(fā)定型。

國內公司中，北京術銳技術有限公司基于連續(xù)體蛇形臂技術研發(fā)的單孔腔鏡手術機器人可實現(xiàn)精準的切割和縫合，于2021年完成了亞洲首臺純單孔機器人前列腺癌根治術，在相同手術效果下，與達芬奇多孔系統(tǒng)相比切口數(shù)量更少、面積更小。目前，術銳公司與多家臨床中心開展了普外科、婦科等單孔機器人手術臨床試驗，在自主研發(fā)、替代進口上具有重大意義。

經(jīng)自然腔道內鏡手術機器人 經(jīng)自然腔道內鏡手術（NOTES）通過人體與外界自然相通的腔道，以內鏡進入腹腔、縱隔或胸腔等進行探查、活檢以及各種手術操作，具有痛苦少、體表無疤痕、創(chuàng)傷小、恢復快的優(yōu)勢。但同時NOTES機器人存在視野有限、無觸覺感知的問題。

NOTES機器人通常包括1個攝像頭、2只機械臂，末端工具一般為夾鉗和電刀。操作臂直徑、末端靈活度和夾鉗的加持力是NOTES機器人設計的關鍵技術。

1994年，威爾克（Wilk）首次提出了經(jīng)人體自然腔道實施手術治療的設想。2007年，普渡大學的艾博特（Abbott）等人開發(fā)了ViaCath系 統(tǒng) ，內鏡和操作臂通過胃腸道到達體內。2015 年，醫(yī)療機器人（Medrobotics）公司開發(fā)的Flex機器人經(jīng)口進入咽部和下咽部進行手術，是第一個被FDA批準用于經(jīng)自然腔道手術的機器人，但因到達部位受限，適應證有限。強生Monarch機器人結合nCLE-成像可進行腹部小結節(jié)檢查，采用外徑3.5mm的超細導管可到達細支氣管。Anovo機器人可在經(jīng)肚臍腹腔鏡輔助下，進行經(jīng)陰道的良性外科手術，并于2021年2月獲得FDA許可。

手術機器人的未來與展望

“眼”更亮 隨著表面重建、熒光和多光譜成像、共聚焦顯微內鏡、增強現(xiàn)實等技術的發(fā)展，手術機器人可以給醫(yī)生提供更加清晰、直觀的手術視野，輔助醫(yī)生更好地完成手術。

“手”更準 通過增加夾緊力感知系統(tǒng)、操作力感知系統(tǒng)和多感知信息人機交互控制技術，醫(yī)生使用手術機器人的過程中可實現(xiàn)更精準的控制。

“腦”更聰 借助人工智能技術，實現(xiàn)手術自動化是手術機器人的未來發(fā)展趨勢。2022年1月，機器人首次在豬的軟組織上獨立完成腹腔鏡小腸吻合術，推動手術自動化的進一步發(fā)展。手術自動化從“無自動化”到“完全自動化”可劃分為0~5級，目前大多數(shù)手術機器人仍處于機器人輔助階段，手術自動化發(fā)展存在巨大挑戰(zhàn)和廣闊發(fā)展前景。

“體”更微 微型化是手術機器人的另一個發(fā)展趨勢，膠囊機器人、微納機器人的發(fā)展將進一步推動手術無創(chuàng)化。

手術方式、微創(chuàng)工具和技術的創(chuàng)新之路從未停止 。未來更加智能、高效、精準的手術機器人將極大地降低患者痛苦，進一步提高手術產(chǎn)出，降低手術風險，為人民追求的美好生活作出更大的貢獻、提供更堅強的保障。