王偉，王偉東，閆志遠(yuǎn)，杜志江，何史林，陳廣飛，周丹

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150080；2.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853

腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人發(fā)展概況綜述

王偉1，王偉東1，閆志遠(yuǎn)1，杜志江1，何史林2，陳廣飛2，周丹2

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150080；2.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853

專欄——微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)研究

編者按：2013年7月25日，由中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院牽頭，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)和南開大學(xué)等多家單位共同承擔(dān)的國(guó)家“863”計(jì)劃“微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)研究”重點(diǎn)項(xiàng)目在中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院通過了由科技部高技術(shù)中心組織的驗(yàn)收。

項(xiàng)目建立了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)用型微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)機(jī)器人及醫(yī)生培訓(xùn)系統(tǒng)。手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)由手術(shù)機(jī)械臂、手術(shù)微器械、醫(yī)生控制臺(tái)、3D腹腔鏡等組成。項(xiàng)目完成了15例活體動(dòng)物（豬）腎切除和15例活體動(dòng)物（豬）膽囊切除實(shí)驗(yàn)，完成了臨床標(biāo)本實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了術(shù)中機(jī)械臂切換、器械快換、工作空間切換、術(shù)野變換、主從比例切換、電凝等操作，驗(yàn)證了機(jī)器人在腹腔內(nèi)可達(dá)工作空間能夠滿足手術(shù)的位置要求，實(shí)現(xiàn)了膽囊的夾取、牽拉、膽囊床的剝離和膽管離斷，以及腎動(dòng)靜脈的結(jié)扎、離斷，腎周組織分離、輸尿管離斷等操作，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物（豬）術(shù)后恢復(fù)良好。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分離、切割、止血、縫合等腹腔鏡外科手術(shù)基本操作，可以完成腎切除、膽囊切除等典型術(shù)式。項(xiàng)目授權(quán)和受理國(guó)家發(fā)明專利8項(xiàng)，發(fā)表和錄用論文22篇，培養(yǎng)了博士和碩士研究生21人，達(dá)到了項(xiàng)目指標(biāo)要求。

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂系統(tǒng)的不同功能組合，并具有互換性；設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了手術(shù)機(jī)械臂的零力拖曳功能，方便術(shù)前和術(shù)中柔順擺位；建立了具有3D視覺和力覺反饋的主從遙操作系統(tǒng)，3D腹腔鏡系統(tǒng)具有避免調(diào)節(jié)雙路圖像相對(duì)位置、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)；研制出適應(yīng)手術(shù)需求全自由度手術(shù)微器械，既滿足了操作的靈活性要求，又可以實(shí)現(xiàn)快速更換。系統(tǒng)適合中國(guó)國(guó)情，成本相對(duì)較低，便于普及推廣。

該項(xiàng)目是“十一五”期間“863”計(jì)劃在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目研制成功對(duì)促進(jìn)我國(guó)高端微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，提高國(guó)產(chǎn)微創(chuàng)腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人的產(chǎn)品成熟度，提升我國(guó)醫(yī)療機(jī)器人的研發(fā)水平，推動(dòng)我國(guó)醫(yī)療機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

本期特別邀請(qǐng)中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院醫(yī)務(wù)部副主任，解放軍醫(yī)學(xué)院教務(wù)長(zhǎng)，軍醫(yī)進(jìn)修學(xué)院碩士生導(dǎo)師周丹博士擔(dān)任欄目主編，就此項(xiàng)目的相關(guān)研究進(jìn)展作專題討論。

欄目主編：周丹

周丹，博士、高級(jí)工程師，現(xiàn)任中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院醫(yī)務(wù)部副主任、解放軍醫(yī)學(xué)院教務(wù)長(zhǎng)，解放軍醫(yī)學(xué)院碩士生導(dǎo)師，軍醫(yī)進(jìn)修學(xué)院碩士生導(dǎo)師。北京理工大學(xué)管理學(xué)碩士，美國(guó)南加州大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工商管理博士 (DBA)學(xué)位，國(guó)際認(rèn)證臨床工程師（CCE），獲第六屆美國(guó)臨床工程學(xué)會(huì)安東尼奧國(guó)際臨床工程獎(jiǎng)。國(guó)內(nèi)外主要社會(huì)兼職包括：中華醫(yī)學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)工程學(xué)分會(huì)前主任委員；中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會(huì)急救醫(yī)學(xué)裝備專業(yè)委員會(huì)主任委員；中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會(huì)常務(wù)理事、副秘書長(zhǎng)；軍隊(duì)第九屆科委會(huì)醫(yī)學(xué)工程學(xué)專業(yè)委員會(huì)副主任委員；軍隊(duì)第九屆科委會(huì)醫(yī)學(xué)工程學(xué)專業(yè)委員會(huì)臨床工程分會(huì)主任委員；全軍醫(yī)學(xué)計(jì)量科學(xué)技術(shù)委員會(huì)副秘書長(zhǎng)；全軍熱力學(xué)計(jì)量總站站長(zhǎng)；國(guó)際生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)（IFBME)CED 理事 ；中國(guó)醫(yī)師協(xié)會(huì)臨床工程師分會(huì)會(huì)長(zhǎng)。

近年來，微創(chuàng)外科手術(shù)以其優(yōu)異的醫(yī)療效果，逐漸被人們接受。將微創(chuàng)外科手術(shù)技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)微創(chuàng)外科手術(shù)存在的不足，加速了微創(chuàng)外科手術(shù)的進(jìn)化。腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)已成為當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文詳細(xì)地介紹了國(guó)內(nèi)外腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人及應(yīng)用現(xiàn)狀，并討論了相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)和未來的發(fā)展方向。

微創(chuàng)手術(shù); 醫(yī)療機(jī)器人; RCM機(jī)構(gòu)

0 前言

自 1987 年法國(guó)里昂的 Mouret醫(yī)生在一位婦女身上成功完成了世界上第一例電視腹腔鏡膽囊切除術(shù)起，微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)步入一個(gè)前所未有的飛速發(fā)展時(shí)代[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)的開放性手術(shù)，微創(chuàng)手術(shù)能夠降低手術(shù)感染風(fēng)險(xiǎn)及并發(fā)癥發(fā)生幾率，具有手術(shù)創(chuàng)傷小、痛感輕、術(shù)中出血量少及病人術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，因而在外科手術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的認(rèn)可并深受患者青睞。然而普通的腹腔鏡微創(chuàng)外科手術(shù)也存在諸如：由于器械在體表開孔處的制約而產(chǎn)生杠桿效應(yīng)，導(dǎo)致醫(yī)生手眼不能協(xié)調(diào)，缺乏三維視覺信息和力感，長(zhǎng)時(shí)間操作器械易產(chǎn)生疲勞，手部抖動(dòng)會(huì)被放大至器械末端等不足。機(jī)器人技術(shù)是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)與近現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合的當(dāng)代高新技術(shù)。將機(jī)器人技術(shù)融入微創(chuàng)外科手術(shù)之中，使之能更好地輔助醫(yī)生實(shí)施高質(zhì)量手術(shù)已成為當(dāng)前醫(yī)學(xué)、機(jī)械、自動(dòng)化、通信以及計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人具有操作精度高，靈活性強(qiáng)，重復(fù)性好以及不受疲勞和情緒等人體生理因素影響等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于解決傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)所面臨的問題，提高手術(shù)質(zhì)量及縮短手術(shù)時(shí)間都具有重要意義，有效拓展了醫(yī)生的手術(shù)能力，同時(shí)也為微創(chuàng)外科手術(shù)提供了新的平臺(tái)。

國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)和高新技術(shù)企業(yè)已經(jīng)成功研制了多種醫(yī)療輔助機(jī)器人，如已被美國(guó)食品及藥物管理局（FDA）認(rèn)可的 Aesop 系列手術(shù)機(jī)器人，Zeus遙操作外科手術(shù)系統(tǒng)以及 Da Vinci外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)等。其中 Da Vinci外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)已在泌尿科、婦科、心臟手術(shù)、腹腔手術(shù)等微創(chuàng)手術(shù)中獲得巨大成功[2-4]。本文詳細(xì)地介紹了國(guó)內(nèi)外腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人及應(yīng)用現(xiàn)狀，并討論了相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)和未來的發(fā)展方向。

1 腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的國(guó)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，西方發(fā)達(dá)國(guó)家推出越來越多市場(chǎng)化的醫(yī)療機(jī)器人產(chǎn)品。美國(guó)、歐盟、日本等國(guó)家都已開展專門立項(xiàng)投資，積極進(jìn)行醫(yī)療輔助機(jī)器人的研究。目前，在醫(yī)療外科手術(shù)規(guī)劃模擬、微創(chuàng)外科手術(shù)輔助操作、無損傷診斷與檢測(cè)、康復(fù)護(hù)理、功能輔助等方面得到了廣泛應(yīng)用。除此之外醫(yī)療機(jī)器人在戰(zhàn)創(chuàng)傷救治方面也有著良好的應(yīng)用前景，受到軍方的廣泛重視。美國(guó)國(guó)防部高等研究計(jì)劃局為美國(guó)陸軍未來戰(zhàn)場(chǎng)傷病員救援和醫(yī)療設(shè)計(jì)了高度集成化、機(jī)器人化和智能化的醫(yī)療系統(tǒng)。歐共體技術(shù)專家 Maurice 在 IEEE SPECTRUM 期刊中表示，歐盟也將機(jī)器人輔助外科手術(shù)及虛擬醫(yī)療技術(shù)仿真作為重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃之一[5]。自 20 世紀(jì) 90 年代起，國(guó)際先進(jìn)機(jī)器人計(jì)劃（IARP）已召開過多屆醫(yī)療外科機(jī)器人研討會(huì)，將機(jī)器人與計(jì)算機(jī)輔助外科單獨(dú)列為一個(gè)專題。

1.1 SRI醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)

1990 年，斯坦福研究所（SRI）研制出 SRI醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)。1995 年，新成立的直覺外科研究所應(yīng)用 SRI、IBM 和 MIT 開發(fā)的技術(shù)，研制出 1 cm 開口的復(fù)雜修復(fù)手術(shù)用遙控多自由度機(jī)器人手臂和工具，同時(shí)開發(fā)了專利產(chǎn)品三維立體視覺攝像機(jī)和立體檢測(cè)儀。該系統(tǒng)具有先進(jìn)的視覺和力反饋系統(tǒng)，使醫(yī)生能夠在視覺和觸覺環(huán)境中進(jìn)行手術(shù)操作。SRI醫(yī)療機(jī)器人由 4 自由度的腕部器械和 3 自由度的機(jī)器人臂組成。系統(tǒng)由冗余傳感器和多極安全檢測(cè)系統(tǒng)保證安全，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)機(jī)和報(bào)警。1997 年，由比利時(shí)醫(yī)生用此機(jī)器人設(shè)備進(jìn)行了首次臨床手術(shù)。

1.2 AESOP系列外科手術(shù)機(jī)器人

1994 年， 美 國(guó) Computer motion 公 司 研 發(fā) 出 首 個(gè)獲得 FDA 認(rèn)證并用于實(shí)際臨床外科手術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)AESOP1000[6]， 見 圖 1(a)。 該 系 統(tǒng) 通 過 一 條 具 有 6 個(gè) 自由度的機(jī)械手臂來代替護(hù)士調(diào)整腹腔鏡腔內(nèi)位姿，以獲得穩(wěn)定的腔內(nèi)手術(shù)場(chǎng)景圖像。1996 年，該公司又研制出AESOP2000[7]，見圖 1(b)。初步實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的語音識(shí)別操作。在此基礎(chǔ)上，2003 年，在 AESOP2000 的基礎(chǔ)上又對(duì)語音識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，成功研發(fā)了 AESOP3000[8]，見圖 1(c)，醫(yī)生可通過聲音實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器臂的控制。AESOP 系列外科手術(shù)機(jī)器人持鏡系統(tǒng)的應(yīng)用，為微創(chuàng)手術(shù)提供了穩(wěn)定腔內(nèi)圖像信息，降低了術(shù)中醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，醫(yī)生可根據(jù)手術(shù)需要自行調(diào)整腔內(nèi)持鏡臂位姿，提高了微創(chuàng)手術(shù)操作的靈活性和準(zhǔn)確性。

圖1 AESOP系列外科手術(shù)機(jī)器人持鏡系統(tǒng)

1.3 ZEUS外科手術(shù)機(jī)器人

在 AESOP 系 列 外 科 手 術(shù) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 的 基 礎(chǔ) 上，Computer Motion 公司推出了具備更高手術(shù)精度的外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng) ZEUS[9]，見圖 2(a)。該系統(tǒng)包括主操作控制臺(tái)和機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)，見圖 2(b)～(c)兩部分。機(jī)械臂執(zhí)行系統(tǒng)由1條機(jī)械持鏡臂和2條7自由度的手術(shù)器械臂組成，其中6個(gè)自由度用于姿態(tài)調(diào)整，另外1個(gè)用于位置優(yōu)化，在控制姿態(tài)的6個(gè)自由度中，4個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其余為無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的隨動(dòng)關(guān)節(jié)。3條機(jī)械臂均集成在手術(shù)床上，便于實(shí)現(xiàn)不同機(jī)械臂間的統(tǒng)一標(biāo)定。醫(yī)生通過主操作控制臺(tái)的主手即可控制機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)操作。

ZEUS系統(tǒng)作為第一代真正意義上的主從遙操作外科機(jī)器人系統(tǒng)[10]，通過多例動(dòng)物及人體的膽囊切除實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超遠(yuǎn)程手術(shù)的可行性，其中包括著名的“林白手術(shù)”。整個(gè)手術(shù)中機(jī)器人準(zhǔn)備時(shí)間為 16 min，手術(shù)過程 54 min，操作延遲為 155 ms，術(shù)后病人平靜且無并發(fā)癥產(chǎn)生，病人于 48 h 后出院[11]。ZEUS 系統(tǒng)的主要貢獻(xiàn)在于消除醫(yī)生操作時(shí)手部的抖動(dòng)，使微創(chuàng)手術(shù)操作更加精確穩(wěn)定。它已經(jīng)成功應(yīng)用于心臟瓣膜修復(fù)術(shù)、全動(dòng)脈化冠狀動(dòng)脈旁路移植等具有極高要求的精密手術(shù)之中。2003 年，Intuitive Surgical公司和 Computer Motion 公司合并后，Zeus 系統(tǒng)不再生產(chǎn)。

(a) ZEUS手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng) (b) 主操作控制臺(tái) (c) 機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖2 ZEUS外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

1.4 Da Vinci微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人

2001 年，美國(guó) Intuitive Surgical 公司研制出了新一代的微創(chuàng)外科機(jī)器人系統(tǒng)——Da Vinci外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)[12]，并獲得 FDA 認(rèn)證，該系統(tǒng)由醫(yī)生主控平臺(tái)、手術(shù)機(jī)械臂及圖像處理設(shè)備 3 部分組成（圖 3）。手術(shù)機(jī)械臂包含 3 條器械臂和1條持鏡臂，每條臂都由一系列術(shù)前被動(dòng)調(diào)整關(guān)節(jié)及主動(dòng)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成。4條機(jī)械臂都具有7個(gè)自由度，其中4個(gè)被動(dòng)自由度用于術(shù)前擺位，3個(gè)主動(dòng)自由度用于術(shù)中的手術(shù)操作。器械臂用來安裝手術(shù)微器械并配合手術(shù)微器械實(shí)施手術(shù)操作。持鏡臂用于術(shù)中調(diào)整內(nèi)窺鏡位置，以獲得清晰穩(wěn)定的腔內(nèi)圖像信息。系統(tǒng)的全部機(jī)械臂都集成在一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)上，這種系統(tǒng)集成方式使結(jié)構(gòu)更加緊湊、靈活，便于移動(dòng)。醫(yī)生主控平臺(tái)中集成了主操作手和高清的三維立體視覺顯示系統(tǒng)，通過主控平臺(tái)的腳踏開關(guān)可實(shí)現(xiàn)器械臂和持鏡臂之間的控制切換。醫(yī)生可通過主操作手實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)微器械及內(nèi)窺鏡的直覺運(yùn)動(dòng)控制。

圖3 Da Vinci外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

Da Vinci外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)是目前全球范圍內(nèi)最成功的臨床外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。它可以為醫(yī)生提供如同傳統(tǒng)開放性手術(shù)般的直觀運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)范圍和組織處理能力，同時(shí)具備濾除術(shù)中醫(yī)生手部生理抖動(dòng)的能力。憑借良好的操作環(huán)境與優(yōu)異的控制性能，Da Vinci手術(shù)機(jī)器人已將許多難度大、復(fù)雜性高的手術(shù)引入到微創(chuàng)手術(shù)之中。當(dāng)然 Da Vinci手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)也并不完美，由于機(jī)構(gòu)龐大、沉重，手術(shù)過程中機(jī)械臂容易相互干涉，給調(diào)試與安裝帶來不便。成本昂貴維護(hù)費(fèi)用高昂，也使得許多國(guó)家和地區(qū)的醫(yī)院難以承受。

目前，Da Vinci機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)在泌尿科、普通外科、心臟外科、婦產(chǎn)科等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)。截至 2012 年 12 月 31 日，已有 2132 臺(tái) Da Vinci手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在世界各地的醫(yī)療機(jī)構(gòu)中應(yīng)用。其中美國(guó) 1548 臺(tái)，歐洲 372 臺(tái)，其他國(guó)家 212 臺(tái)。2011 年 Da Vinci手術(shù)系統(tǒng)完成的手術(shù)約有 36 萬例，相比 2010 年增長(zhǎng)了 29%。

1.5 單孔道微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人

2004 年美國(guó) Johns Hopkins 大學(xué)研制出一種單孔道外科手術(shù)機(jī)器人 Snake-Like Robot[13]（圖 4）。該系統(tǒng)也采用主從控制模式，主操作手與 Da Vinci機(jī)器人系統(tǒng)相同。從手執(zhí)行端為固定在4自由度的平行機(jī)構(gòu)上的具有7自由度的多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)構(gòu)，采用多根高彈性管作為柔性脊柱，以鋼絲繩驅(qū)動(dòng)的方式來控制末端手爪實(shí)現(xiàn) ±90°的偏擺和俯仰動(dòng)作，手爪能夠產(chǎn)生約1N的夾持力。由于蛇形機(jī)器人的機(jī)構(gòu)外徑僅為 4 mm，固該機(jī)器人可在狹小的手術(shù)空間內(nèi)為醫(yī)生提供靈活的手術(shù)操作。目前該系統(tǒng)仍處于研究階段，尚未進(jìn)入到實(shí)際臨床應(yīng)用。

圖4 蛇形單孔手術(shù)機(jī)器人

2009 年， 美 國(guó) Columbia University 研 制 出 了 與Snake-Like Robot形態(tài)相似的一種小型單孔雙臂蛇形手術(shù) 機(jī) 器 人[14]（圖 5）。該機(jī)器人由一組雙目腔鏡攝像頭及兩個(gè)獨(dú)立的多自由度蛇形操作手組成，通過2自由度平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器末端的腔內(nèi)位置調(diào)整，利用多自由度蛇形關(guān)節(jié)進(jìn)行末端姿態(tài)調(diào)整。該手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)相對(duì)于Snake-Like Robot集成度更高，具備更高的靈活性與可操作性，目前也處在研究階段。

圖5 Columbia University開發(fā)的蛇形單孔手術(shù)機(jī)器人

1.6 RAVEN外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

RAVEN 外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)（圖 6）是由美國(guó)華盛頓大學(xué)開發(fā)的新一代小型化主從遙操作外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)[15-16]。系統(tǒng) 2 兩條執(zhí)行手術(shù)操作的器械臂及 1 條調(diào)整腹腔鏡姿態(tài)的持鏡臂組成，每條器械臂包含7個(gè)自由度，由5個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和1個(gè)夾持關(guān)節(jié)組成。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、重量輕等特點(diǎn)。主手操作端和從臂執(zhí)行器之間可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實(shí)驗(yàn)已證明該手術(shù)系統(tǒng)可以在極端的條件下通過多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)置進(jìn)行手術(shù)操作[17]?；?Linux 的操作系統(tǒng)以及開源的操作軟件使各科研機(jī)構(gòu)根據(jù)自己的需要在同一平臺(tái)上開發(fā)不同軟件控制系統(tǒng)成為可能。目前該系統(tǒng)已在多個(gè)研究機(jī)構(gòu)中開展了動(dòng)物試驗(yàn)。

圖6 RAVEN外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

1.7 歐洲各國(guó)研發(fā)的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

近年來，歐洲各發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)機(jī)器人輔助外科手術(shù)技術(shù)十分重視，各科研機(jī)構(gòu)微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人也進(jìn)行了廣泛深入的研究。波蘭羅茲理工大學(xué)在“波蘭心臟外科機(jī)器人項(xiàng)目”的支持下開發(fā)出類似于 Da Vinci系統(tǒng)的 Robin Heart系列微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)[18]（圖 7）。該系列機(jī)器人操作臂機(jī)構(gòu)較 Da Vinci系統(tǒng)簡(jiǎn)單，微操作器械與 Da Vinci系統(tǒng)類似，靈活性與可操作性較 Da Vinci系統(tǒng)還存在差距，目前該系統(tǒng)尚未應(yīng)用于臨床手術(shù)。

圖7 Robin Heart系列微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人

德國(guó)宇航中心（DLR）利用其在輕型臂研究方面的優(yōu)勢(shì)，研發(fā)出具有可拓展性的 MiroSurge 機(jī)器人系統(tǒng)[19]（圖 8）。該微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)由3條輕型機(jī)械臂及操作主手組成。機(jī)械臂系統(tǒng)的集成方式類似于 ZEUS均安裝于手術(shù)床上，便于多機(jī)械臂間的空間位姿標(biāo)定。系統(tǒng)可通過機(jī)械臂關(guān)節(jié)處集成的力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)關(guān)節(jié)處的力矩信息，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端的平滑控制。系統(tǒng)同樣采用主從控制，該機(jī)器人系統(tǒng)的最大的特點(diǎn)在于每條輕型機(jī)械臂的7個(gè)關(guān)節(jié)均為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，機(jī)械臂系統(tǒng)通過自由度的冗余來實(shí)現(xiàn)腹壁切口處的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖8 MiroSurge外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)研制出一套具有4條機(jī)械臂的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)[20]（圖 9）。該系統(tǒng)將機(jī)械臂集成在手術(shù)床上方的手術(shù)室天花板上，極大地減少了手術(shù)床周圍的空間占用，便于醫(yī)護(hù)人員在術(shù)中進(jìn)行手術(shù)干預(yù)。但是這種集成方式需要配備特殊的手術(shù)室，安裝相對(duì)較困難，靈活性和機(jī)動(dòng)性都較差。特殊的安裝方式也使得術(shù)前消毒準(zhǔn)備工作相對(duì)繁瑣。

圖9 慕尼黑工業(yè)大學(xué)手術(shù)系統(tǒng)

2 腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

近年來，我國(guó)已開始關(guān)注輔助外科手術(shù)醫(yī)療機(jī)器人設(shè)備的研究與開發(fā)，由于起步較晚，與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的醫(yī)療機(jī)器人發(fā)展水平相比有較大差距，但在國(guó)家項(xiàng)目支持及市場(chǎng)需求的推動(dòng)下發(fā)展迅速，一些高校及科研單位的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)研制出了一批不同用途的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。

2010 年，由天津大學(xué)、南開大學(xué)與天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院聯(lián)合研制了“妙手 A”腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人[21]（圖 10）。與 Da Vinci類似，妙手 A 也采用主從控制方式。系統(tǒng)包括具備主操作手、機(jī)械臂系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)及手術(shù)微器械。主操作手具備三維力反饋功能，可通過自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)重力平衡。采用雙路平面正交偏振影像分光法實(shí)現(xiàn)了手術(shù)空間內(nèi)的立體視覺，從手操作臂通過一個(gè)6自由度被動(dòng)調(diào)整鎖定機(jī)構(gòu)來調(diào)整機(jī)器人術(shù)前的運(yùn)動(dòng)不動(dòng)點(diǎn)初始位置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體體積較 Da Vinci系統(tǒng)略小，系統(tǒng)具有較好的靈活性，目前已成功完成了多例動(dòng)物的臨床實(shí)驗(yàn)。

圖10 “妙手A”手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

2013 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南開大學(xué)與中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院聯(lián)合研制了腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)[22]。該系統(tǒng)由醫(yī)生控制臺(tái)、手術(shù)輔助系統(tǒng)及手術(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括器械臂、持鏡機(jī)械臂及手術(shù)微器械；醫(yī)生控制臺(tái)集成了用于醫(yī)生手部運(yùn)動(dòng)位姿采集的主操作手、視覺顯示系統(tǒng)以及整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的功能控制面板；手術(shù)輔助系統(tǒng)主要包括3D成像設(shè)備、電凝和氣腹機(jī)等。每條從動(dòng)機(jī)械臂都包含被動(dòng)和主動(dòng)關(guān)節(jié)兩部分，通過被動(dòng)關(guān)節(jié)的調(diào)整可實(shí)現(xiàn)術(shù)前系統(tǒng)擺位。系統(tǒng)采用主從控制，根據(jù)手術(shù)需要配備多種形式的微器械，結(jié)合機(jī)械臂的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)器械末端的腔內(nèi)全維運(yùn)動(dòng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該套手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)能夠滿足組織抓取、縫合及打結(jié)等手術(shù)操作要求，具備良好的操作性和較大的操作空間，具有三維成像能力的高端內(nèi)窺鏡可將圖像放大10倍以上，突破了人眼的觀察極限，極大地提高了手術(shù)的安全性和方便程度，為實(shí)現(xiàn)人手難以實(shí)現(xiàn)的高難操作創(chuàng)造了可能。

國(guó)內(nèi)在單孔腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人研究領(lǐng)域也取得了一些成果，如上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等針對(duì)單孔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人開展研究。這種機(jī)器人在具備不動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將末端手術(shù)微器械與內(nèi)窺鏡進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，通常手術(shù)微器械和內(nèi)窺鏡可折疊收入到圓筒形結(jié)構(gòu)之中，當(dāng)進(jìn)入人體腹腔后再展開手術(shù)器械進(jìn)行手術(shù)操作，但這種類型的機(jī)器人仍處在研究階段，距臨床應(yīng)用還比較遙遠(yuǎn)。

除上述科研院所以外，針對(duì)腹腔微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，南開大學(xué)、中科院沈陽自動(dòng)化研究所、北京理工大學(xué)、深圳先進(jìn)技術(shù)研究院等科研機(jī)構(gòu)也在從事相關(guān)技術(shù)方面的研究。

3 腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向分析

以目前較為成熟主從式腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)為例，主要由從動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)、操作主手控制系統(tǒng)及3D視覺成像系統(tǒng)組成。從動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)主要包括器械臂、持鏡臂及各種手術(shù)微器械，是腹腔鏡外科手術(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；操作主手控制系統(tǒng)主要用于醫(yī)生手部運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行采集及手術(shù)系統(tǒng)的整體控制；3D視覺成像系統(tǒng)能夠使醫(yī)生獲得三維的手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)視覺效果。腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)主要包括機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制策略及虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面，對(duì)這些關(guān)鍵性的技術(shù)問題加以介紹和分析，對(duì)于新一代腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)設(shè)計(jì)具有積極意義。

在傳統(tǒng)的微創(chuàng)手術(shù)中，手術(shù)器械通過一個(gè)與人體皮膚切口處相連的 trocar卡進(jìn)入體內(nèi)。在進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)時(shí)，trocar卡的軸線與皮膚平面的相交點(diǎn)對(duì)器械起到支撐的作用，醫(yī)生繞該不動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)手持器械對(duì)病人實(shí)施各種手術(shù)操作。為了將機(jī)器人應(yīng)用到微創(chuàng)手術(shù)之中，必須保證輔助機(jī)器人在手術(shù)介入點(diǎn)處不會(huì)對(duì)病人造成額外的嚴(yán)重傷害，因此需要設(shè)計(jì)一種能夠提供空間位置不變點(diǎn)的機(jī)構(gòu)，即遠(yuǎn)心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)稱為 RCM (Remote Center-of-motion)機(jī)構(gòu)，這一概念由 Taylor 于 1995 年首次提出[23]。

目前已提出的符合上述要求的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)構(gòu)主要分為多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)、添加隨動(dòng)關(guān)節(jié)及機(jī)構(gòu)自身的限制約束三種方式實(shí)現(xiàn)手術(shù)器具在機(jī)械臂的操作下始終通過介入點(diǎn)切口。依靠機(jī)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)約束實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)端不動(dòng)點(diǎn)的方式目前已被科研人員廣泛采用。目前，常被用于微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)械臂中的 RCM機(jī)構(gòu)主要有球面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、圓弧導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)以及復(fù)合平行四邊形機(jī)構(gòu)。此外，也有研究人員將這幾種機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化后用于腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)之中，如在上述球面機(jī)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上，研制出了雙連桿支撐的球面機(jī)構(gòu)[24]以及將球面機(jī)構(gòu)中的圓弧桿件以與圓弧弦線重合的直線桿件替代的改進(jìn)型球面機(jī)構(gòu)，如上文提到的RAVEN 外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。遠(yuǎn)心不動(dòng)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方式是腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在具備良好的自身實(shí)用性的前提下，未來的腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)向結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、操控更靈活、體積更小巧、輕便的方向發(fā)展。

與傳統(tǒng)腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)一樣，腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)也需要借助手術(shù)微器械來進(jìn)行手術(shù)。由于微創(chuàng)手術(shù)切口對(duì)自由度的限制，腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)械臂可為末端微器械提供3個(gè)自由度，手術(shù)微器械的自由度設(shè)計(jì)應(yīng)保證在其手術(shù)空間內(nèi)以任意位姿進(jìn)行手術(shù)操作。本文介紹的各種腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人，其相應(yīng)的研究部門根據(jù)自身機(jī)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行手術(shù)微器械的研發(fā)。對(duì)于不同種類的手術(shù)操作，設(shè)計(jì)專用的微器械，在結(jié)構(gòu)和自由度數(shù)量上略有不同。研制適用于機(jī)器人系統(tǒng)的手術(shù)微器械，使之具備更高的靈活性與靈敏度，延長(zhǎng)微器械的使用壽命，消除器械末端的耦合，集成良好的力反饋系統(tǒng)以及能夠根據(jù)手術(shù)需要實(shí)現(xiàn)微器械的快速拆裝和更換等技術(shù)問題將成為未來微器械的發(fā)展方向。

在使用腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)之前，醫(yī)護(hù)人員需根據(jù)病灶位置和患者體型確定切口位置，對(duì)腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人的操作臂術(shù)前擺放位置進(jìn)行調(diào)整。合理的術(shù)前擺位能夠提高機(jī)械臂的靈巧度，增大可視空間與操作空間的交集區(qū)域，降低機(jī)械臂之間的相互干涉影響。由于醫(yī)護(hù)人員并不了解機(jī)器人學(xué)科的相關(guān)技術(shù)，僅靠經(jīng)驗(yàn)判斷很難給出適合手術(shù)的初始器械臂空間位姿，因此對(duì)于臨床應(yīng)用的腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人必須制定出一套快捷有效的術(shù)前擺位方案，以指導(dǎo)醫(yī)生更好更快地完成術(shù)前準(zhǔn)備工作，為實(shí)施高質(zhì)量手術(shù)奠定基礎(chǔ)。其核心問題就是如何通過優(yōu)化遠(yuǎn)心不動(dòng)點(diǎn)的術(shù)前位置來獲取良好的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)，及多操作臂間較大的協(xié)作空間和較小的干涉影響。對(duì)于未來的腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)來說，術(shù)前擺位規(guī)劃也是研究的主要方向之一。

受當(dāng)前科技水平的限制，目前的腹腔鏡外科手術(shù)機(jī)器人并不具備單獨(dú)開展手術(shù)的能力。出于對(duì)手術(shù)安全和手術(shù)效果的考慮，術(shù)中需要醫(yī)生的實(shí)際參與。本文上述提及的腹腔鏡外科手術(shù)在機(jī)器人系統(tǒng)均通過主從空間映射的方法進(jìn)行控制。主從控制性能的好壞對(duì)于手術(shù)質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作用。由于主操作手與從動(dòng)機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型差異，導(dǎo)致主從手運(yùn)動(dòng)空間不一致，對(duì)于這種典型的主從異構(gòu)系統(tǒng)，需要在笛卡爾空間內(nèi)對(duì)主從運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃[25-26]，以實(shí)現(xiàn)從端系統(tǒng)對(duì)主端系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。在保證鏡下主從操作臂位姿一致性的前提下，應(yīng)增強(qiáng)主從映射算法的實(shí)時(shí)性并對(duì)器械末端軌跡進(jìn)行平滑規(guī)劃處理。在實(shí)際手術(shù)過程中，為增強(qiáng)對(duì)于不同手術(shù)或不同手術(shù)環(huán)節(jié)的適應(yīng)性，主從運(yùn)動(dòng)控制比需要實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)不同精度的手術(shù)操作，使控制系統(tǒng)更穩(wěn)定，手術(shù)操作更有效率。從手術(shù)操作的安全性方面考慮，應(yīng)對(duì)腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍加以限定并增加濾除醫(yī)生手部生理抖動(dòng)的控制算法。在手術(shù)過程中由于比例控制的限制，當(dāng)遇到主手已達(dá)到運(yùn)動(dòng)空間極限或主手之間發(fā)生干涉而從操作臂仍未到達(dá)目標(biāo)區(qū)域的情況時(shí)，需暫時(shí)中斷系統(tǒng)當(dāng)前的主從映射關(guān)系，調(diào)整便于繼續(xù)操作的主手姿態(tài)和位置后，根據(jù)當(dāng)前的主手位姿信息重新建立主從映射關(guān)系。上述問題能否得到完美解決對(duì)于建立良好的主從控制關(guān)系至關(guān)重要。

4 結(jié)論

從傳統(tǒng)的開放性手術(shù)到微創(chuàng)外科手術(shù)產(chǎn)生，乃至如今的機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的商品化進(jìn)程，醫(yī)療手術(shù)器具始終處在不斷的演變與進(jìn)化之中。未來的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人會(huì)有更小的機(jī)構(gòu)體積，更少的手術(shù)創(chuàng)傷，更優(yōu)異的操控性能與更高的安全性和穩(wěn)定性，輔助醫(yī)生或代替醫(yī)生更有效率、更精確地完成手術(shù)。高新的機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)形成一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)。相信在不久的將來醫(yī)療外科機(jī)器人系統(tǒng)一定能夠得到蓬勃發(fā)展。

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Development Review of Laparoscopic Surgical Robotic

WANG Wei1, WANG Wei-dong1, YAN Zhi-yuan1, DU Zhi-jiang1, HE Shi-lin2, CHEN Guang-fei2, ZHOU Dan2
1. State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin, Heilongjiang 150080, China; 2. Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

In recent years, minimally invasive surgery gradually being accepted for its excellent medical effects.The minimally invasive surgical techniques combined with robot technology can make up for the deficiencies of traditional minimally invasive surgery and accelerate the evolution of minimally invasive surgery. Laparoscopic surgical robotics has become an important role in the research field of robotics. This paper describes laparoscopic surgical robots at home and abroad in detail and discusses the technical difficulties as well as the future development direction.

minimally invasive surgery; medical robotic; RCM mechanism

R197.39；TP242.3

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.08.001

1674-1633(2014)08-0005-06

2013-03-02

2013-03-23

作者郵箱：178833559 @qq．com