錢(qián)文文，鄭 建,2，何 濤,3

(1浙江省醫(yī)療器械檢驗(yàn)院，浙江杭州310009，2浙江大學(xué)，浙江杭州310007，3浙江省醫(yī)療器械安全性評(píng)價(jià)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310009)

醫(yī)用機(jī)器人在微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展概況

錢(qián)文文1，鄭 建1,2，何 濤1,3

(1浙江省醫(yī)療器械檢驗(yàn)院，浙江杭州310009，2浙江大學(xué)，浙江杭州310007，3浙江省醫(yī)療器械安全性評(píng)價(jià)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310009)

醫(yī)用機(jī)器人作為一種新型醫(yī)療器械，已經(jīng)被成功應(yīng)用于各類(lèi)微創(chuàng)手術(shù)中。本文對(duì)醫(yī)用機(jī)器人在眼科、神經(jīng)外科、心胸外科、腸胃外科和泌尿外科五個(gè)重要微創(chuàng)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展情況做了詳細(xì)介紹。同時(shí)還介紹了兩個(gè)成功的商業(yè)化醫(yī)用機(jī)器人ROBODOC和Da Vinci的技術(shù)發(fā)展和臨床應(yīng)用情況。

機(jī)器人；醫(yī)用機(jī)器人；手術(shù)機(jī)器人；微創(chuàng)手術(shù)

0 引言

自1987年法國(guó)著名醫(yī)生Mouret成功使用腹腔鏡完成膽囊切除術(shù)以來(lái)，越來(lái)越多的外科領(lǐng)域都應(yīng)用微創(chuàng)手術(shù)取代傳統(tǒng)的外科手術(shù)，如普通外科、神經(jīng)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(chuàng)手術(shù)要求外科醫(yī)生需具有高超的手術(shù)技能與精細(xì)的手術(shù)操作，所以借助先進(jìn)便捷的醫(yī)療器械進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)成為微創(chuàng)手術(shù)的必要選擇，其中使用醫(yī)用機(jī)器人進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)受到越來(lái)越多研究人員和外科醫(yī)生的關(guān)注。

本文主要介紹了醫(yī)用機(jī)器人在微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域中的發(fā)展現(xiàn)狀，即醫(yī)用機(jī)器人在眼科、神經(jīng)外科、心胸外科、腸胃外科和泌尿外科五個(gè)重要外科領(lǐng)域的應(yīng)用，并重點(diǎn)介紹了兩個(gè)應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)的典型商業(yè)化機(jī)器人系統(tǒng)ROBODOC和Da Vinci。

1 醫(yī)用機(jī)器人在微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 眼科

眼科手術(shù)往往是一系列精細(xì)而復(fù)雜的過(guò)程，人類(lèi)外科醫(yī)生手術(shù)的局限性大大限制了眼科手術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。例如，在進(jìn)行玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)時(shí)，反饋信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人眼所能分辨的最小值，所以該手術(shù)操作過(guò)程相當(dāng)困難。為克服眼科手術(shù)中的種種困難，提高眼科手術(shù)質(zhì)量，研究人員在眼科醫(yī)用機(jī)器人方面開(kāi)展了大量的研究。

第一個(gè)應(yīng)用于眼科手術(shù)的醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)是1997年由美國(guó)Northwestern University開(kāi)發(fā)研制的顯微外科機(jī)器人。該系統(tǒng)是基于Stewart平臺(tái)的并聯(lián)機(jī)器人，操作者可以通過(guò)一個(gè)軌跡球?qū)υ摍C(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行操控，操控靈活。2004年Carnegie Mellon的研究人員開(kāi)發(fā)了一種手持式機(jī)器人系統(tǒng)Micron，該系統(tǒng)可以有利于消除醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中手部顫抖等對(duì)手術(shù)不利的多余動(dòng)作。2007年Johns Hopkins University研制的Steady-hand機(jī)器人是一個(gè)輔助手術(shù)機(jī)器人，最大的特點(diǎn)是該系統(tǒng)對(duì)操縱者有一個(gè)自然反饋信息，從而實(shí)現(xiàn)手術(shù)過(guò)程中的穩(wěn)定控制。ZTH Zurich的研究人員最新開(kāi)發(fā)了一種用于眼科手術(shù)的無(wú)線微型機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于磁力無(wú)線控制，從而取代傳統(tǒng)的物理線路，研究人員計(jì)劃將該機(jī)器人系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于玻璃體視網(wǎng)膜的微創(chuàng)手術(shù)。

在國(guó)內(nèi)，北京航空航天大學(xué)的機(jī)器人研究所對(duì)眼科機(jī)器人系統(tǒng)有較多報(bào)道，特別是眼角膜移植方面，研究人員報(bào)道了一種用于顯微角膜成形術(shù)的機(jī)器人，該機(jī)器人末端執(zhí)行器上的微型壓力和位置傳感器可以用于術(shù)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和信息傳輸。

1.2 神經(jīng)外科

在神經(jīng)外科手術(shù)中，精確定位是此類(lèi)手術(shù)的成功的重要條件，但是現(xiàn)有定位系統(tǒng)存在定位精度不高，定位裝置過(guò)于龐大和復(fù)雜給病人造成一定的心理負(fù)擔(dān)等缺點(diǎn)。所以臨床醫(yī)生想通過(guò)利用醫(yī)用機(jī)器人來(lái)完成神經(jīng)外科手術(shù)中的立體定位。

早期的神經(jīng)外科定位機(jī)器人系統(tǒng)大多是基于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。1988年Kwoh首次提出了一個(gè)基于Puma200的定位機(jī)器人系統(tǒng)，用于腦組織活檢中探針的導(dǎo)向定位。Accuray公司研發(fā)的CyberKnife機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)用于放射外科的機(jī)器人系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)的呼吸同步跟蹤系統(tǒng)，大大提高了實(shí)時(shí)定位的精度。Reinshaw 公司的NeuroMate機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)比較成功的商用化產(chǎn)品，已經(jīng)被成功應(yīng)用于深部腦刺激的電極植入手術(shù)和神經(jīng)內(nèi)窺鏡手術(shù)、放射及活檢的立體定位術(shù)。1999年推出的無(wú)框架版本，大大減輕了手術(shù)創(chuàng)傷。該機(jī)器人系統(tǒng)獲得了美國(guó)食品與藥品管理局(FDA)的認(rèn)證，成為最早被美國(guó)FDA批準(zhǔn)用于臨床的神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人。Imperial College London研究人員最新研究成果，一種新型機(jī)器人探針，該探針最大的特點(diǎn)在于其仿生學(xué)設(shè)計(jì)，可以通過(guò)病人顱骨上的小孔進(jìn)入顱骨并沿著指定的彎曲線路進(jìn)入大腦。

圖1 NeuroMate定位機(jī)器人系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)方面，1997年由北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所和解放軍海軍總醫(yī)院共同研制的腦外科機(jī)器人輔助定位系統(tǒng)Puma262，已經(jīng)被成功開(kāi)展于臨床應(yīng)用，取得了一定的研究成果。

1.3 心胸外科

傳統(tǒng)的心胸外科往往需要通過(guò)開(kāi)胸手術(shù)，而開(kāi)胸手術(shù)具有傷口大，出血多，恢復(fù)慢等缺點(diǎn)，所以微創(chuàng)外科成為心胸外科手術(shù)的熱門(mén)研究，但是此類(lèi)手術(shù)有一定局限性，比較復(fù)雜的手術(shù)尤其是精細(xì)的心臟手術(shù)不能很好的實(shí)現(xiàn)。醫(yī)用機(jī)器人正好可以彌補(bǔ)人類(lèi)的缺點(diǎn)，利用其高精度，可以再狹小空間操作精細(xì)手術(shù)，高分辨等優(yōu)勢(shì)完成各種人類(lèi)外科醫(yī)生無(wú)法完成的手術(shù)。

2005年Carnegie Mellon University研制的輔助心臟手術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)Heartlander，為一個(gè)用于心肌內(nèi)注射的橢圓型爬行類(lèi)機(jī)器人。此類(lèi)微型機(jī)器人可以爬行至手術(shù)部位進(jìn)行心肌內(nèi)注射，大大抑制了心肌梗塞。最初該機(jī)器人使用電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，在后期研究中進(jìn)行不斷改良實(shí)現(xiàn)了超聲馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，大大增強(qiáng)其操作性能。2006年University of Washington的研究人員還開(kāi)發(fā)了一個(gè)重量?jī)H為22.5kg的機(jī)器人系統(tǒng)RAVEN，類(lèi)似的同類(lèi)系統(tǒng)常常重達(dá)半噸。該機(jī)器人系統(tǒng)相對(duì)較為便捷，適合一些特殊場(chǎng)合的使用，比如戰(zhàn)場(chǎng)、事故現(xiàn)場(chǎng)和太空等。Hansen Medical公司開(kāi)發(fā)了一款導(dǎo)管機(jī)器人系統(tǒng)Sensei, 該系統(tǒng)是全世界第一個(gè)血管內(nèi)動(dòng)脈瘤修復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。Intuitive Surgical公司著名的Da Vinci 機(jī)器人系統(tǒng)也可應(yīng)用于各類(lèi)胸心外科手術(shù)，比如心臟停跳搭橋、二尖瓣成形和置換、主動(dòng)脈瓣切除術(shù)和肺葉切除等各類(lèi)手術(shù)。Da Vinci機(jī)器人系統(tǒng)作為一個(gè)較為成功的商業(yè)化機(jī)器人系統(tǒng)，本文將于第三部分做具體介紹。

由國(guó)內(nèi)天津大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)和天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院聯(lián)合共同研制開(kāi)發(fā)的微創(chuàng)手術(shù)外科機(jī)器人“妙手A (McroHand A)”，憑借該系統(tǒng)四自由度小型手術(shù)工具、三維立體視覺(jué)和主從式控制等特點(diǎn)。目前“妙手A (McroHand A)”系統(tǒng)已經(jīng)順利通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，有望將來(lái)應(yīng)用于胸心外科手術(shù)。

1.4 腸胃外科

通常，腸胃科的醫(yī)生會(huì)使用胃腸鏡對(duì)病人的腸胃進(jìn)行診斷與手術(shù)。所謂的胃腸鏡就是借助一根纖細(xì)而柔軟的管子進(jìn)入到腸胃系統(tǒng)觀察病灶，但是傳統(tǒng)胃腸鏡的管子往往會(huì)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(jī)器人，近年來(lái)大量應(yīng)用于腸胃外科手術(shù)的微型機(jī)器人被研制出來(lái)。

圖2 膠囊型內(nèi)窺鏡M2A

第一個(gè)膠囊型內(nèi)窺鏡M2A是由Given Imaging公司開(kāi)發(fā)，該微型膠囊直徑僅為10mm，長(zhǎng)度為27mm。主要由一個(gè)微型相機(jī)、射頻發(fā)射器、LED照明燈和微型電池構(gòu)成，拍攝的圖片由無(wú)線傳輸至計(jì)算機(jī)。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(guò)腸道蠕動(dòng)和收縮向前行進(jìn)。2001年，M2A獲得美國(guó)FDA正式批準(zhǔn)，允許應(yīng)用于小腸的檢查診斷。2007年美國(guó)University of Nebraska的研究人員還報(bào)道了一個(gè)名為NOTES的內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)。該微型機(jī)器人系統(tǒng)由一個(gè)中心裝置和兩個(gè)臂構(gòu)成，通過(guò)食道進(jìn)入到食道后可以提供一個(gè)穩(wěn)定的可視化平臺(tái)和任意方向的觀察，可以協(xié)助外科醫(yī)生進(jìn)行小腸解剖等手術(shù)。歐盟代號(hào)為ARES的項(xiàng)目研制出一種新型結(jié)構(gòu)的微型機(jī)器人系統(tǒng)，此類(lèi)機(jī)器人由多個(gè)部分構(gòu)成，其中每個(gè)部分都具有其獨(dú)特的功能，這種結(jié)構(gòu)代表了一種新的微型機(jī)器人發(fā)展方向。

國(guó)內(nèi)方面，大連理工大學(xué)研制的膠囊機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)在腸道內(nèi)垂直游動(dòng)，此項(xiàng)技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。上海交通大學(xué)曾報(bào)道過(guò)一個(gè)無(wú)線內(nèi)窺鏡微型機(jī)器人，該機(jī)器人系統(tǒng)基于蚯蚓運(yùn)動(dòng)的仿生設(shè)計(jì)，由三個(gè)線性單元構(gòu)成。重慶金山科技、安翰光電技術(shù)和杭州華沖科技等國(guó)內(nèi)多家公司也積極投入到膠囊內(nèi)窺鏡方面研發(fā)和生產(chǎn)工作。其中重慶金山科技獲得相關(guān)方面的專(zhuān)利上百余項(xiàng)，該公司自主研發(fā)產(chǎn)品OMOM膠囊內(nèi)鏡已經(jīng)獲得國(guó)家藥監(jiān)局頒發(fā)《醫(yī)療器械注冊(cè)證》，正式投入應(yīng)用。

1.5 泌尿外科

隨著醫(yī)療技術(shù)不斷發(fā)展，泌尿外科手術(shù)微創(chuàng)化是外科醫(yī)生不斷追求的目標(biāo)，而醫(yī)用機(jī)器人定位精度高、防抖動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)都較適合應(yīng)用于泌尿外科微創(chuàng)手術(shù)。研究人員和臨床醫(yī)生不斷嘗試使用醫(yī)用機(jī)器人輔助進(jìn)行泌尿外科手術(shù)。近年來(lái)，大量應(yīng)用于泌尿外科的醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)被報(bào)道。

2005年Johns Hopkins University的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型的用于前列腺的遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。該裝置在醫(yī)生的控制下可以實(shí)現(xiàn)前列腺部位毫米量級(jí)誤差內(nèi)的定位，適用于前列腺手術(shù)中的穿刺活檢和基準(zhǔn)標(biāo)記等操作。2008年University of British Columbia的研究人員還提出了一個(gè)四個(gè)自由度的前列腺手術(shù)機(jī)器人，該機(jī)器人允許針頭在X-Y平面自由精確的移動(dòng)，沿Z軸方面插入。同年加拿大Engineering Service公司的研究人員曾報(bào)道過(guò)一個(gè)用于前列腺消融術(shù)的磁共振兼容機(jī)器人，對(duì)該機(jī)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(xì)的報(bào)，同時(shí)還指出使用該機(jī)器人系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)誤差小于2mm的定位。除了一些用于定位的醫(yī)用機(jī)器人，Zues和da Vinci 機(jī)器人系統(tǒng)都可應(yīng)用于泌尿外科的手術(shù)，例如腎切除，前列腺切除和膀胱修復(fù)手術(shù)等。

哈爾濱理工大學(xué)智能機(jī)器人研所的研究人員提出了一個(gè)用于前列腺癌治療的半自動(dòng)化的機(jī)械手，該機(jī)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(dá)到最佳效果。

2 典型的醫(yī)用機(jī)器人

2.1 ROBODOC機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)

ROBODOC機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)在骨科領(lǐng)域成熟應(yīng)用的醫(yī)用機(jī)器人產(chǎn)品。在1986年，美國(guó)IBM Thomas J. Watson研究中心的研究人員與美國(guó)University of California的研究人員聯(lián)合，合作開(kāi)發(fā)了第一個(gè)應(yīng)用于骨科手術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)ROBODOC。該機(jī)器人系統(tǒng)主要應(yīng)用于全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，研究人員初衷是希望利用機(jī)器人系統(tǒng)的高精密度從而提高關(guān)節(jié)置換手術(shù)的質(zhì)量。1992年, ROBODOC協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行了第一例全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)。該突破性方式大大促進(jìn)了三維圖像、術(shù)前規(guī)劃和機(jī)器人輔助手術(shù)的發(fā)展。同年ROBODOC開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)還獲得著名的計(jì)算機(jī)史密森醫(yī)學(xué)創(chuàng)新獎(jiǎng)。1994年開(kāi)始ROBODOC系統(tǒng)開(kāi)始商業(yè)化使用，被應(yīng)用于各類(lèi)全髖骨關(guān)節(jié)置換術(shù)、膝關(guān)節(jié)置換術(shù)及相關(guān)修復(fù)手術(shù)。

2008年，ROBODOC正式通過(guò)美國(guó)FDA認(rèn)證，允許在醫(yī)院使用進(jìn)行全髖骨置換術(shù)，是全世界唯一一臺(tái)被FDA認(rèn)可的可以進(jìn)行骨科手術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)。截止2012年12月為止，ROBODOC已被廣泛應(yīng)用于美國(guó)，歐洲，日本，韓國(guó)和印度等全世界各地，并且協(xié)助外科醫(yī)生完成關(guān)節(jié)置換手術(shù)超過(guò)28000例。同時(shí)ROBODOC還在進(jìn)行不斷的新技術(shù)更新，未來(lái)應(yīng)用可能將廣泛應(yīng)用于各類(lèi)脊柱和開(kāi)顱手術(shù)。

圖3 ROBODOC機(jī)器人系統(tǒng)

2.2 Da Vinci機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)

Da Vinci機(jī)器人系統(tǒng)是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)。上世紀(jì)90年度美國(guó)Intuitive Surgical公司成功的將最先進(jìn)的太空遙控機(jī)器手機(jī)轉(zhuǎn)化為醫(yī)用臨床應(yīng)用，并將其研制的機(jī)器人命名Da Vinci。該機(jī)器人系統(tǒng)一共包括醫(yī)生操作系統(tǒng)、床旁機(jī)械臂系統(tǒng)和視頻處理系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)。其Intuitive運(yùn)動(dòng)模式保持了相應(yīng)的手眼一致，手與器械運(yùn)動(dòng)一致，從而對(duì)器械進(jìn)行有效控制。通過(guò)高清晰三維立體的成像系統(tǒng)，緊湊易控的控制臺(tái)和Endo Wrist可轉(zhuǎn)腕器械，醫(yī)生的動(dòng)作被等比例的調(diào)整，濾除抖動(dòng)，病精確的傳遞至病人身旁的機(jī)器臂及器械上，完成高質(zhì)量高難度的手術(shù)。

2000年6月，Da Vinci手術(shù)系統(tǒng)成為了美國(guó)FDA批準(zhǔn)的第一個(gè)用于腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)的自動(dòng)控制機(jī)械系統(tǒng)。2005年Intuitive Surgical公司又推出該機(jī)器人系統(tǒng)的升級(jí)版Da Vinci S系列；2009年推出的Da Vinci Si系列是目前該手術(shù)機(jī)器人的最新版本，擁有雙操作系統(tǒng)適用于手術(shù)培訓(xùn)和合作手術(shù)。美國(guó)排名前100位的醫(yī)用已經(jīng)有92家醫(yī)院安裝了Da Vinci手術(shù)系統(tǒng)。美國(guó)85%以上的前列腺癌根治術(shù)使用Da Vinci手術(shù)機(jī)器人完成。Da Vinci手術(shù)系統(tǒng)通過(guò)FDA批準(zhǔn)可以開(kāi)展的臨床手術(shù)見(jiàn)表1。僅2010年1年，Da Vinci手術(shù)系統(tǒng)完成手術(shù)超過(guò)250000例。

國(guó)內(nèi)的中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院、中國(guó)人民解放軍第二炮兵總醫(yī)院和復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院等十余家國(guó)內(nèi)的醫(yī)院也已安裝先進(jìn)的Da Vinci手術(shù)機(jī)器人。并且應(yīng)用先進(jìn)的手術(shù)機(jī)器人以開(kāi)展不少手術(shù)，如解放軍總醫(yī)院在高長(zhǎng)青主任的帶領(lǐng)下，使用Da Vinci手術(shù)機(jī)器人完成心血管類(lèi)的手術(shù)400多例；第二炮兵總醫(yī)院以周寧新教授為代表，已使用Da Vinci手術(shù)機(jī)器人完成130例肝膽胰外科手術(shù)。

圖4 Da Vinci Si機(jī)器人系統(tǒng)

3 總結(jié)

醫(yī)用機(jī)器人憑借其在手術(shù)過(guò)程中的高精準(zhǔn)度和可重復(fù)性等特性，在某些方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人類(lèi)外科醫(yī)生的能力，使用醫(yī)用機(jī)器人在微創(chuàng)外科手術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用必將成為發(fā)展新趨勢(shì)。隨著今后研究人員不斷技術(shù)進(jìn)步和臨床醫(yī)用工作者不斷實(shí)踐應(yīng)用，改進(jìn)醫(yī)用機(jī)器人所存在的缺陷、提高醫(yī)用機(jī)器人工作性能。醫(yī)用機(jī)器人技術(shù)將更為成熟與穩(wěn)定，在微創(chuàng)外科領(lǐng)域的應(yīng)用必將更為廣泛與系統(tǒng)。

表1 Da Vinci Si 機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)FDA批準(zhǔn)可以應(yīng)用的臨床手術(shù)

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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