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機器人在微創(chuàng)外科手術中的應用????

徐兆紅，宋成利，閆士舉

（上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093）

摘編自《中國組織工程研究與臨床康復》2011年15卷35期：6598~6601頁，圖、表、參考文獻已省略。

0　引言

外科手術是醫(yī)學治療的一種重要手段，是一把離不開創(chuàng)傷的制造和愈合的“雙刃劍”。對于無創(chuàng)和切口美觀的追求稱為外科手術微創(chuàng)化發(fā)展的動力[1]。自從1987年法國里昂醫(yī)生Mouret成功為患者實施腹腔鏡下膽囊切除術以來[2]，經(jīng)過20多年的發(fā)展，微創(chuàng)外科（特別是腹腔鏡微創(chuàng)外科）技術已日漸成熟。因其手術創(chuàng)傷小、術后疼痛輕、住院時間短、美容效果好、術野清晰、操作精細等優(yōu)勢，在臨床上取得了廣泛的應用和滿意的效果[3]。當前“微創(chuàng)”這一概念已深入到外科手術的各種領域，如脊柱外科、骨科、顯微外科等，但以腹腔外科技術發(fā)展最為顯著，本文的研究領域也焦注在腹腔微創(chuàng)手術[4-11]。

微創(chuàng)術后的美容效果雖然得到了廣泛認可，但存在以下問題：1）有悖于傳統(tǒng)腹腔鏡手術的基本要求——“操作三角”，使得醫(yī)生的操作不符合人因工程學設計原理，極易疲勞。2）采用傳統(tǒng)器械時，由于所有器械經(jīng)過單一切口進行操作，“筷子效應”導致各器械之間互相碰撞和“打架”的現(xiàn)象時常發(fā)生，影響手術視野，造成手術操作困難。3）暴露不好，由于可同時使用的操作器械有限，對手術部位的暴露很困難，且器械和光源軸線平行在一定程度上會影響術者對深度和距離的判斷[12]。

在傳統(tǒng)的腹腔鏡手術器械無法滿足單孔腹腔鏡手術的基礎上，微創(chuàng)外科手術機器人系統(tǒng)應運而生。微創(chuàng)外科手術機器人具有穩(wěn)定性好、操作靈活、運動精確、手眼協(xié)調(diào)等特點，具體表現(xiàn)為：1）視覺角度：手術機器人的3D圖像具有更精細操作的空間定位，改善了手術操作的掌控力。2）人因工程學角度：手術機器人系統(tǒng)中的外科醫(yī)生在主操作臺操控手術，有較好的舒適性。3）操作度：微創(chuàng)外科機器人能濾除外科醫(yī)生手部抖動，手術更加精準，可進行微細操作。4）靈活度：可避免器械碰撞與三角操作問題，還能實現(xiàn)自動縫合等操作，節(jié)省時間，靈活度高。5）觸覺：傳感器可測出組織與器械間的接觸力，外科醫(yī)生可感受到接觸力的大小和方向。6）遠程手術：打破地區(qū)間醫(yī)療資源分布不均的格局，實現(xiàn)遠程醫(yī)療。由于具有眾多優(yōu)勢，微創(chuàng)外科手術機器人的研究是國際醫(yī)療技術的熱點[13-15]。

本文依據(jù)微創(chuàng)外科機器人技術的發(fā)展特點和應用背景，分別從體外手術機器人與體內(nèi)手術機器人等方面分析了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并對該領域的一些關鍵技術進行探討。

1　研究現(xiàn)狀

國際上眾多專家和學者致力于微創(chuàng)外科機器人領域的研究。從國內(nèi)外已發(fā)表的文獻可總結出，根據(jù)構建原理的不同，微創(chuàng)外科手術機器人的研究可大致分為兩類：體外手術機器人（Robotic surgery in-vitro）和體內(nèi)微型機器人（Miniature robot in-vivo）。

1.1 體外手術機器人 目前體外手術機器人廣泛采用主

從操作模式，他們以腹腔鏡手術為基礎，由機械臂夾持器械，通過腹壁上的幾個穿刺套管置入腹腔進行手術。系統(tǒng)體積大、造價貴、操控不方便，實際應用價值還十分有限。

Da Vinci（達芬奇）外科手術機器人系統(tǒng)是最具代表性的商業(yè)化手術機器人[16]。該系統(tǒng)1999年由美國Intuitive Surgical公司研制成功。該系統(tǒng)包括醫(yī)生操作平臺、外科手術工作臺、具有多自由度的腕形手術工具和腔鏡圖像系統(tǒng)。它已經(jīng)應用于心臟外科手術、腹腔鏡手術、胸科手術、泌尿外科手術、婦產(chǎn)科手術和兒科手術等。該系統(tǒng)雖然具有振動過濾、動作縮放等主從操控能力，但手術醫(yī)生在主操作臂缺乏力覺反饋功能，精細手術效率低，主從運動抗干擾能力弱，體積龐大，價格昂貴，見圖1。

世界上另外一類商業(yè)化手術機器人杰出代表是美國Computer Motion公司開發(fā)出的ZEUS（宙斯）機器人系統(tǒng)，已經(jīng)應用于腔鏡外科手術[17]。著名的超遠程膽囊摘除手術“林白手術”就是通過ZEUS系統(tǒng)完成的。該系統(tǒng)采用主從式工作方式，從操作手的每個機械臂具有6+1個自由度，其中6個用于位姿調(diào)整，另外一個用于位置優(yōu)化，可以完成復雜的手術操作。該系統(tǒng)從操作手的布局方式占用空間較大，工作空間較小，靈活性相對較低，成為制約其繼續(xù)發(fā)展的關鍵因素，見圖2。

此外，美國Johns Hopkins大學開發(fā)了一種基于支撐喉鏡下的多自由度喉部手術機器人。該系統(tǒng)采用主從控制模式，可同時控制3個高靈敏度、高準確性的蛇形末端執(zhí)行器，實現(xiàn)在咽喉內(nèi)的遙操作，尤其是縫合動作[18]。德國機器人與嵌入式系統(tǒng)研究中心和慕尼黑理工大學心臟治療中心聯(lián)合開展針對心臟手術的微創(chuàng)機器人系統(tǒng)力反饋評估研究，該主從系統(tǒng)的每個機械手臂具有8個自由度，可以進行套管針操作[19]。日本名古屋大學開發(fā)出面向耳鼻喉手術、食道手術等人體深處狹小空間的遙操作主從機器人外科手術系統(tǒng)。其從動臂具有7-DOF，靈活性好，能達到人體內(nèi)部傳統(tǒng)手術方式不能到達的部位進行手術操作，并進行了雞肝臟縫合手術的動物實驗[20]。

在國內(nèi)，最早開展外科手術機器人研究工作的是北京航空航天大學。由北京航空航天大學、清華大學和解放軍海軍總醫(yī)院合作開發(fā)的機器人輔助無框架腦外科立體定向手術系統(tǒng)，開創(chuàng)了國內(nèi)自主開發(fā)外科手術機器人的先河，并相繼開展一系列的神經(jīng)外科手術機器人系統(tǒng)[21]。天津大學自主研發(fā)了顯微外科手術機器人系統(tǒng)—“妙手”機器人。該主從異構機器人系統(tǒng)主操作臂是串聯(lián)力反饋設備Phantom Desktop，從操作臂是針對顯微血管縫合手術專門設計的“妙手”，具有力檢測功能，可完成切割、夾持、縫合與打結等手術操作，可實現(xiàn)遠程手術，并初步探討了力感覺功能[22]。哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所研制了腹腔鏡微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可替代手術助手扶持、移動腹腔鏡，為醫(yī)生提供穩(wěn)定的手術區(qū)域圖像，并可以按照預先規(guī)劃的軌跡夾持腹腔鏡運動到患者體表切口處，以一定姿態(tài)插入患者體內(nèi)，按照手術醫(yī)生命令實時調(diào)整腹腔鏡姿態(tài)，為醫(yī)生輸出理想手術視野，但控制系統(tǒng)的實時性不高[23]。

1.2 體內(nèi)微型機器人研究現(xiàn)狀

最典型的體內(nèi)微型機器人是膠囊內(nèi)窺鏡，它能進入人體，用于窺探人體腸胃和食道部位的健康狀況，幫助醫(yī)生對患者進行診斷。由于功能和結構限制，目前膠囊內(nèi)窺鏡僅用于疾病診斷，沒有手術治療能力。從國內(nèi)外已發(fā)表的文獻來看，已有基于NOTES的體內(nèi)微型機器人進入動物實驗階段。

Oleynikov等[24]為了提高內(nèi)窺鏡在體內(nèi)活動的靈活性，開發(fā)了在體內(nèi)可移動的內(nèi)窺鏡機器人，攝像機的云臺可以水平360°、傾斜45°、前進和后退45°范圍活動，由LED提供光源，兩個獨立的永磁直流電動機提供驅動。三腳架腿是裝有扭轉彈簧，可以折疊收縮，在導管內(nèi)進退自如。已用于豬膽囊實驗，該機器人從可視化角度增強了手術視角，增加了CCD定位深度，提高了手術安全性，見圖3。

Rentschler等[25]開發(fā)了經(jīng)NOTES平臺導入腹腔，用于腹腔探查的微型機器人。這種機器人直徑12 mm，長度75 mm，具有螺旋狀的輪狀結構，由2只微型電機驅動，可以在腹腔內(nèi)前進、后退和轉向，不會造成組織損傷。作者將該機器人經(jīng)胃鏡導入胃中，而后經(jīng)胃壁上的切口導入腹腔，完成腹腔探查后用胃鏡的抓持器械取出，見圖4。

Lehman等[26]介紹了經(jīng)NOTES途徑導入腹腔的微型手術機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)由微型機器人、定位磁鐵和控制臺組成。機器人由胃鏡導入腹腔后，由磁定位系統(tǒng)固定于腹壁。機器人具備可提供立體視頻圖像的攝像頭，兩側可以伸出操作臂進行操作，其供能與機械臂活動為有線方式控制。作者進行了3例動物實驗，并用這種微型機器人完成了動物膽囊切除，見圖5。

此外，Phee等[27]開發(fā)了纜繩驅動雙臂微型機器人。該系統(tǒng)具有2個操作臂的微型機器人安裝在內(nèi)鏡前端，經(jīng)NOTES途徑進入腹腔進行手術操作，完成腹壁無瘢痕的微型機器人手術。Hawks等[28]近期開發(fā)出無線控制的體內(nèi)操作微型機器人，可以由醫(yī)生通過控制器進行遙控操作。與現(xiàn)有的腹腔鏡機器人相比，該系統(tǒng)費用低廉，便于攜帶，占用較少的手術室空間[29-31]。

2　討論

綜合國內(nèi)外微創(chuàng)外科機器人的研究情況來看，微型體內(nèi)手術機器人是手術機器人領域的研究熱點。特別是微型機器人的靈巧性設計、手術機器人的定位、運動規(guī)劃與控制、操作力的實時測量與力反饋等關鍵技術，有必要就所涉及到的理論和方法學問題進行深入探討和研究。

現(xiàn)代微創(chuàng)手術機器人主操作手缺失力感覺，嚴重制約了主從式手術機器人的發(fā)展和實用價值。帶有力感覺的操作手，通常也稱為力反饋操作手，它能給操作者帶來手術真實感和觸覺功能，而且，虛擬現(xiàn)實力反饋技術能將手術工具末端與人體組織間的作用力，不需要力傳感器的信號采集與處理，傳遞到操作者手部，讓醫(yī)生具有親臨手術現(xiàn)場的感覺。這種力反饋方式既節(jié)省了手術器械的操作空間，又提高了手術效率。

主從操控技術是手術機器人進行遙操作和微操作的關鍵環(huán)節(jié)。主從操作臂間的運動空間映射，能實現(xiàn)微操作。主從操作臂間的力空間映射，能實現(xiàn)微操作下的精細手術。基于網(wǎng)絡的實時控制，主從操作臂還達到遙操作的目的。

研制一套主從操控體系，不僅可為微創(chuàng)外科機器人提供理論支持，還可將研究成果擴展于手術評價，為病灶的診斷與治療提供有效思路，具有臨床價值和廣闊的市場應用前景。