王偉，王偉東，閆志遠，杜志江，何史林，陳廣飛，周丹

1.哈爾濱工業(yè)大學機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080；2.中國人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853

腹腔鏡外科手術(shù)機器人發(fā)展概況綜述

王偉1，王偉東1，閆志遠1，杜志江1，何史林2，陳廣飛2，周丹2

1.哈爾濱工業(yè)大學機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080；2.中國人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853

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

編者按：2013年7月25日，由中國人民解放軍總醫(yī)院牽頭，哈爾濱工業(yè)大學、天津大學和南開大學等多家單位共同承擔的國家“863”計劃“微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)機器人系統(tǒng)研究”重點項目在中國人民解放軍總醫(yī)院通過了由科技部高技術(shù)中心組織的驗收。

項目建立了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的實用型微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)機器人及醫(yī)生培訓系統(tǒng)。手術(shù)機器人系統(tǒng)由手術(shù)機械臂、手術(shù)微器械、醫(yī)生控制臺、3D腹腔鏡等組成。項目完成了15例活體動物（豬）腎切除和15例活體動物（豬）膽囊切除實驗，完成了臨床標本實驗，實現(xiàn)了術(shù)中機械臂切換、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，驗證了機器人在腹腔內(nèi)可達工作空間能夠滿足手術(shù)的位置要求，實現(xiàn)了膽囊的夾取、牽拉、膽囊床的剝離和膽管離斷，以及腎動靜脈的結(jié)扎、離斷，腎周組織分離、輸尿管離斷等操作，實驗動物（豬）術(shù)后恢復良好。實驗表明系統(tǒng)實現(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。項目授權(quán)和受理國家發(fā)明專利8項，發(fā)表和錄用論文22篇，培養(yǎng)了博士和碩士研究生21人，達到了項目指標要求。

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，可以實現(xiàn)機械臂系統(tǒng)的不同功能組合，并具有互換性；設(shè)計并實現(xiàn)了手術(shù)機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)雙路圖像相對位置、體積小、重量輕的優(yōu)點；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，又可以實現(xiàn)快速更換。系統(tǒng)適合中國國情，成本相對較低，便于普及推廣。

該項目是“十一五”期間“863”計劃在先進制造技術(shù)領(lǐng)域的重點項目，項目研制成功對促進我國高端微創(chuàng)手術(shù)機器人技術(shù)的進步，提高國產(chǎn)微創(chuàng)腹腔鏡手術(shù)機器人的產(chǎn)品成熟度，提升我國醫(yī)療機器人的研發(fā)水平，推動我國醫(yī)療機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有深遠意義。

本期特別邀請中國人民解放軍總醫(yī)院醫(yī)務(wù)部副主任，解放軍醫(yī)學院教務(wù)長，軍醫(yī)進修學院碩士生導師周丹博士擔任欄目主編，就此項目的相關(guān)研究進展作專題討論。

欄目主編：周丹

周丹，博士、高級工程師，現(xiàn)任中國人民解放軍總醫(yī)院醫(yī)務(wù)部副主任、解放軍醫(yī)學院教務(wù)長，解放軍醫(yī)學院碩士生導師，軍醫(yī)進修學院碩士生導師。北京理工大學管理學碩士，美國南加州大學職業(yè)技術(shù)學院工商管理博士 (DBA)學位，國際認證臨床工程師（CCE），獲第六屆美國臨床工程學會安東尼奧國際臨床工程獎。國內(nèi)外主要社會兼職包括：中華醫(yī)學會醫(yī)學工程學分會前主任委員；中國醫(yī)學裝備協(xié)會急救醫(yī)學裝備專業(yè)委員會主任委員；中國醫(yī)學裝備協(xié)會常務(wù)理事、副秘書長；軍隊第九屆科委會醫(yī)學工程學專業(yè)委員會副主任委員；軍隊第九屆科委會醫(yī)學工程學專業(yè)委員會臨床工程分會主任委員；全軍醫(yī)學計量科學技術(shù)委員會副秘書長；全軍熱力學計量總站站長；國際生物醫(yī)學工程學會（IFBME)CED 理事 ；中國醫(yī)師協(xié)會臨床工程師分會會長。

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)與機器人技術(shù)結(jié)合，彌補了傳統(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)的進化。腹腔鏡外科手術(shù)機器人技術(shù)已成為當前機器人領(lǐng)域的研究熱點。本文詳細地介紹了國內(nèi)外腹腔鏡外科手術(shù)機器人及應(yīng)用現(xiàn)狀，并討論了相關(guān)技術(shù)難點和未來的發(fā)展方向。

微創(chuàng)手術(shù); 醫(yī)療機器人; RCM機構(gòu)

0 前言

自 1987 年法國里昂的 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)步入一個前所未有的飛速發(fā)展時代[1]。相對于傳統(tǒng)的開放性手術(shù)，微創(chuàng)手術(shù)能夠降低手術(shù)感染風險及并發(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)后恢復快等優(yōu)點，因而在外科手術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的認可并深受患者青睞。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)，導致醫(yī)生手眼不能協(xié)調(diào)，缺乏三維視覺信息和力感，長時間操作器械易產(chǎn)生疲勞，手部抖動會被放大至器械末端等不足。機器人技術(shù)是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)學與近現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合的當代高新技術(shù)。將機器人技術(shù)融入微創(chuàng)外科手術(shù)之中，使之能更好地輔助醫(yī)生實施高質(zhì)量手術(shù)已成為當前醫(yī)學、機械、自動化、通信以及計算機等領(lǐng)域的研究熱點。腹腔鏡外科手術(shù)機器人具有操作精度高，靈活性強，重復性好以及不受疲勞和情緒等人體生理因素影響等優(yōu)點，對于解決傳統(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)時間都具有重要意義，有效拓展了醫(yī)生的手術(shù)能力，同時也為微創(chuàng)外科手術(shù)提供了新的平臺。

國內(nèi)外的科研機構(gòu)和高新技術(shù)企業(yè)已經(jīng)成功研制了多種醫(yī)療輔助機器人，如已被美國食品及藥物管理局（FDA）認可的 Aesop 系列手術(shù)機器人，Zeus遙操作外科手術(shù)系統(tǒng)以及 Da Vinci外科手術(shù)機器人系統(tǒng)等。其中 Da Vinci外科手術(shù)機器人系統(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]。本文詳細地介紹了國內(nèi)外腹腔鏡外科手術(shù)機器人及應(yīng)用現(xiàn)狀，并討論了相關(guān)技術(shù)難點和未來的發(fā)展方向。

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

近年來，西方發(fā)達國家推出越來越多市場化的醫(yī)療機器人產(chǎn)品。美國、歐盟、日本等國家都已開展專門立項投資，積極進行醫(yī)療輔助機器人的研究。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、康復護理、功能輔助等方面得到了廣泛應(yīng)用。除此之外醫(yī)療機器人在戰(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。美國國防部高等研究計劃局為美國陸軍未來戰(zhàn)場傷病員救援和醫(yī)療設(shè)計了高度集成化、機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，歐盟也將機器人輔助外科手術(shù)及虛擬醫(yī)療技術(shù)仿真作為重點研究發(fā)展計劃之一[5]。自 20 世紀 90 年代起，國際先進機器人計劃（IARP）已召開過多屆醫(yī)療外科機器人研討會，將機器人與計算機輔助外科單獨列為一個專題。

1.1 SRI醫(yī)療機器人系統(tǒng)

1990 年，斯坦福研究所（SRI）研制出 SRI醫(yī)療機器人系統(tǒng)樣機。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 開口的復雜修復手術(shù)用遙控多自由度機器人手臂和工具，同時開發(fā)了專利產(chǎn)品三維立體視覺攝像機和立體檢測儀。該系統(tǒng)具有先進的視覺和力反饋系統(tǒng)，使醫(yī)生能夠在視覺和觸覺環(huán)境中進行手術(shù)操作。SRI醫(yī)療機器人由 4 自由度的腕部器械和 3 自由度的機器人臂組成。系統(tǒng)由冗余傳感器和多極安全檢測系統(tǒng)保證安全，可以實現(xiàn)自動關(guān)機和報警。1997 年，由比利時醫(yī)生用此機器人設(shè)備進行了首次臨床手術(shù)。

1.2 AESOP系列外科手術(shù)機器人

1994 年， 美 國 Computer motion 公 司 研 發(fā) 出 首 個獲得 FDA 認證并用于實際臨床外科手術(shù)的機器人系統(tǒng)AESOP1000[6]， 見 圖 1(a)。 該 系 統(tǒng) 通 過 一 條 具 有 6 個 自由度的機械手臂來代替護士調(diào)整腹腔鏡腔內(nèi)位姿，以獲得穩(wěn)定的腔內(nèi)手術(shù)場景圖像。1996 年，該公司又研制出AESOP2000[7]，見圖 1(b)。初步實現(xiàn)了機械臂的語音識別操作。在此基礎(chǔ)上，2003 年，在 AESOP2000 的基礎(chǔ)上又對語音識別系統(tǒng)進行了改進，成功研發(fā)了 AESOP3000[8]，見圖 1(c)，醫(yī)生可通過聲音實現(xiàn)對機器臂的控制。AESOP 系列外科手術(shù)機器人持鏡系統(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)護人員的工作強度，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)操作的靈活性和準確性。

圖1 AESOP系列外科手術(shù)機器人持鏡系統(tǒng)

1.3 ZEUS外科手術(shù)機器人

在 AESOP 系 列 外 科 手 術(shù) 機 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)機器人系統(tǒng) ZEUS[9]，見圖 2(a)。該系統(tǒng)包括主操作控制臺和機械臂執(zhí)行機構(gòu)，見圖 2(b)～(c)兩部分。機械臂執(zhí)行系統(tǒng)由1條機械持鏡臂和2條7自由度的手術(shù)器械臂組成，其中6個自由度用于姿態(tài)調(diào)整，另外1個用于位置優(yōu)化，在控制姿態(tài)的6個自由度中，4個由電機驅(qū)動，其余為無動力驅(qū)動的隨動關(guān)節(jié)。3條機械臂均集成在手術(shù)床上，便于實現(xiàn)不同機械臂間的統(tǒng)一標定。醫(yī)生通過主操作控制臺的主手即可控制機械臂系統(tǒng)進行手術(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器人系統(tǒng)[10]，通過多例動物及人體的膽囊切除實驗驗證了超遠程手術(shù)的可行性，其中包括著名的“林白手術(shù)”。整個手術(shù)中機器人準備時間為 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)的主要貢獻在于消除醫(yī)生操作時手部的抖動，使微創(chuàng)手術(shù)操作更加精確穩(wěn)定。它已經(jīng)成功應(yīng)用于心臟瓣膜修復術(shù)、全動脈化冠狀動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)機器人系統(tǒng) (b) 主操作控制臺 (c) 機械臂執(zhí)行機構(gòu)圖2 ZEUS外科手術(shù)機器人系統(tǒng)

1.4 Da Vinci微創(chuàng)外科手術(shù)機器人

2001 年，美國 Intuitive Surgical 公司研制出了新一代的微創(chuàng)外科機器人系統(tǒng)——Da Vinci外科手術(shù)機器人系統(tǒng)[12]，并獲得 FDA 認證，該系統(tǒng)由醫(yī)生主控平臺、手術(shù)機械臂及圖像處理設(shè)備 3 部分組成（圖 3）。手術(shù)機械臂包含 3 條器械臂和1條持鏡臂，每條臂都由一系列術(shù)前被動調(diào)整關(guān)節(jié)及主動運動關(guān)節(jié)組成。4條機械臂都具有7個自由度，其中4個被動自由度用于術(shù)前擺位，3個主動自由度用于術(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)的全部機械臂都集成在一個移動平臺上，這種系統(tǒng)集成方式使結(jié)構(gòu)更加緊湊、靈活，便于移動。醫(yī)生主控平臺中集成了主操作手和高清的三維立體視覺顯示系統(tǒng)，通過主控平臺的腳踏開關(guān)可實現(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現(xiàn)對手術(shù)微器械及內(nèi)窺鏡的直覺運動控制。

圖3 Da Vinci外科手術(shù)機器人系統(tǒng)

Da Vinci外科手術(shù)機器人系統(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)般的直觀運動控制、運動范圍和組織處理能力，同時具備濾除術(shù)中醫(yī)生手部生理抖動的能力。憑借良好的操作環(huán)境與優(yōu)異的控制性能，Da Vinci手術(shù)機器人已將許多難度大、復雜性高的手術(shù)引入到微創(chuàng)手術(shù)之中。當然 Da Vinci手術(shù)機器人系統(tǒng)也并不完美，由于機構(gòu)龐大、沉重，手術(shù)過程中機械臂容易相互干涉，給調(diào)試與安裝帶來不便。成本昂貴維護費用高昂，也使得許多國家和地區(qū)的醫(yī)院難以承受。

目前，Da Vinci機器人系統(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)濟效益應(yīng)。截至 2012 年 12 月 31 日，已有 2132 臺 Da Vinci手術(shù)機器人系統(tǒng)在世界各地的醫(yī)療機構(gòu)中應(yīng)用。其中美國 1548 臺，歐洲 372 臺，其他國家 212 臺。2011 年 Da Vinci手術(shù)系統(tǒng)完成的手術(shù)約有 36 萬例，相比 2010 年增長了 29%。

1.5 單孔道微創(chuàng)外科手術(shù)機器人

2004 年美國 Johns Hopkins 大學研制出一種單孔道外科手術(shù)機器人 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自由度的平行機構(gòu)上的具有7自由度的多關(guān)節(jié)蛇形機構(gòu)，采用多根高彈性管作為柔性脊柱，以鋼絲繩驅(qū)動的方式來控制末端手爪實現(xiàn) ±90°的偏擺和俯仰動作，手爪能夠產(chǎn)生約1N的夾持力。由于蛇形機器人的機構(gòu)外徑僅為 4 mm，固該機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，尚未進入到實際臨床應(yīng)用。

圖4 蛇形單孔手術(shù)機器人

2009 年， 美 國 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 器 人[14]（圖 5）。該機器人由一組雙目腔鏡攝像頭及兩個獨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構(gòu)實現(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)進行末端姿態(tài)調(diào)整。該手術(shù)機器人系統(tǒng)相對于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)機器人

1.6 RAVEN外科手術(shù)機器人系統(tǒng)

RAVEN 外科手術(shù)機器人系統(tǒng)（圖 6）是由美國華盛頓大學開發(fā)的新一代小型化主從遙操作外科手術(shù)機器人系統(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個自由度，由5個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、1個移動關(guān)節(jié)和1個夾持關(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。主手操作端和從臂執(zhí)行器之間可通過網(wǎng)絡(luò)進行連接，實驗已證明該手術(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構(gòu)根據(jù)自己的需要在同一平臺上開發(fā)不同軟件控制系統(tǒng)成為可能。目前該系統(tǒng)已在多個研究機構(gòu)中開展了動物試驗。

圖6 RAVEN外科手術(shù)機器人系統(tǒng)

1.7 歐洲各國研發(fā)的微創(chuàng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)

近年來，歐洲各發(fā)達國家對機器人輔助外科手術(shù)技術(shù)十分重視，各科研機構(gòu)微創(chuàng)外科手術(shù)機器人也進行了廣泛深入的研究。波蘭羅茲理工大學在“波蘭心臟外科機器人項目”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)機器人系統(tǒng)[18]（圖 7）。該系列機器人操作臂機構(gòu)較 Da Vinci系統(tǒng)簡單，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)機器人

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

圖8 MiroSurge外科手術(shù)機器人系統(tǒng)

德國慕尼黑工業(yè)大學研制出一套具有4條機械臂的微創(chuàng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)[20]（圖 9）。該系統(tǒng)將機械臂集成在手術(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)護人員在術(shù)中進行手術(shù)干預。但是這種集成方式需要配備特殊的手術(shù)室，安裝相對較困難，靈活性和機動性都較差。特殊的安裝方式也使得術(shù)前消毒準備工作相對繁瑣。

圖9 慕尼黑工業(yè)大學手術(shù)系統(tǒng)

2 腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)機器人的國內(nèi)發(fā)展情況

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

2010 年，由天津大學、南開大學與天津醫(yī)科大學總醫(yī)院聯(lián)合研制了“妙手 A”腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人[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，可通過自身的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)重力平衡。采用雙路平面正交偏振影像分光法實現(xiàn)了手術(shù)空間內(nèi)的立體視覺，從手操作臂通過一個6自由度被動調(diào)整鎖定機構(gòu)來調(diào)整機器人術(shù)前的運動不動點初始位置。執(zhí)行機構(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物的臨床實驗。

圖10 “妙手A”手術(shù)機器人系統(tǒng)

2013 年哈爾濱工業(yè)大學、南開大學與中國人民解放軍總醫(yī)院聯(lián)合研制了腹腔鏡外科手術(shù)機器人系統(tǒng)[22]。該系統(tǒng)由醫(yī)生控制臺、手術(shù)輔助系統(tǒng)及手術(shù)執(zhí)行機構(gòu)組成。執(zhí)行機構(gòu)包括器械臂、持鏡機械臂及手術(shù)微器械；醫(yī)生控制臺集成了用于醫(yī)生手部運動位姿采集的主操作手、視覺顯示系統(tǒng)以及整個機器人系統(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、電凝和氣腹機等。每條從動機械臂都包含被動和主動關(guān)節(jié)兩部分，通過被動關(guān)節(jié)的調(diào)整可實現(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)合機械臂的主動運動關(guān)節(jié)可實現(xiàn)器械末端的腔內(nèi)全維運動。經(jīng)實驗證明，該套手術(shù)機器人系統(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，為實現(xiàn)人手難以實現(xiàn)的高難操作創(chuàng)造了可能。

國內(nèi)在單孔腹腔鏡手術(shù)機器人研究領(lǐng)域也取得了一些成果，如上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學等針對單孔微創(chuàng)手術(shù)機器人開展研究。這種機器人在具備不動點運動機構(gòu)的基礎(chǔ)上，將末端手術(shù)微器械與內(nèi)窺鏡進行一體化設(shè)計，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，當進入人體腹腔后再展開手術(shù)器械進行手術(shù)操作，但這種類型的機器人仍處在研究階段，距臨床應(yīng)用還比較遙遠。

除上述科研院所以外，針對腹腔微創(chuàng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)，南開大學、中科院沈陽自動化研究所、北京理工大學、深圳先進技術(shù)研究院等科研機構(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)機器人系統(tǒng)為例，主要由從動機械臂系統(tǒng)、操作主手控制系統(tǒng)及3D視覺成像系統(tǒng)組成。從動機械臂系統(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)行機構(gòu)；操作主手控制系統(tǒng)主要用于醫(yī)生手部運動信息進行采集及手術(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)場視覺效果。腹腔鏡外科手術(shù)機器人的關(guān)鍵技術(shù)主要包括機構(gòu)設(shè)計、運動控制策略及虛擬現(xiàn)實仿真的實現(xiàn)三個方面，對這些關(guān)鍵性的技術(shù)問題加以介紹和分析，對于新一代腹腔鏡外科手術(shù)機器人的研發(fā)設(shè)計具有積極意義。

在傳統(tǒng)的微創(chuàng)手術(shù)中，手術(shù)器械通過一個與人體皮膚切口處相連的 trocar卡進入體內(nèi)。在進行微創(chuàng)手術(shù)時，trocar卡的軸線與皮膚平面的相交點對器械起到支撐的作用，醫(yī)生繞該不動點轉(zhuǎn)動手持器械對病人實施各種手術(shù)操作。為了將機器人應(yīng)用到微創(chuàng)手術(shù)之中，必須保證輔助機器人在手術(shù)介入點處不會對病人造成額外的嚴重傷害，因此需要設(shè)計一種能夠提供空間位置不變點的機構(gòu)，即遠心點運動機構(gòu)，簡稱為 RCM (Remote Center-of-motion)機構(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)機構(gòu)主要分為多關(guān)節(jié)聯(lián)動、添加隨動關(guān)節(jié)及機構(gòu)自身的限制約束三種方式實現(xiàn)手術(shù)器具在機械臂的操作下始終通過介入點切口。依靠機構(gòu)自身結(jié)構(gòu)約束實現(xiàn)的遠端不動點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)機械臂中的 RCM機構(gòu)主要有球面運動機構(gòu)、圓弧導軌機構(gòu)以及復合平行四邊形機構(gòu)。此外，也有研究人員將這幾種機構(gòu)進行改進優(yōu)化后用于腹腔鏡外科手術(shù)機械臂的機構(gòu)設(shè)計之中，如在上述球面機構(gòu)的研究基礎(chǔ)上，研制出了雙連桿支撐的球面機構(gòu)[24]以及將球面機構(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型球面機構(gòu)，如上文提到的RAVEN 外科手術(shù)機器人系統(tǒng)。遠心不動點的實現(xiàn)方式是腹腔鏡外科手術(shù)機器人設(shè)計的關(guān)鍵。在具備良好的自身實用性的前提下，未來的腹腔鏡外科手術(shù)機構(gòu)設(shè)計應(yīng)向結(jié)構(gòu)更簡單、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)機器人系統(tǒng)也需要借助手術(shù)微器械來進行手術(shù)。由于微創(chuàng)手術(shù)切口對自由度的限制，腹腔鏡外科手術(shù)機械臂可為末端微器械提供3個自由度，手術(shù)微器械的自由度設(shè)計應(yīng)保證在其手術(shù)空間內(nèi)以任意位姿進行手術(shù)操作。本文介紹的各種腹腔鏡手術(shù)機器人，其相應(yīng)的研究部門根據(jù)自身機構(gòu)特點進行手術(shù)微器械的研發(fā)。對于不同種類的手術(shù)操作，設(shè)計專用的微器械，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)機器人進行手術(shù)之前，醫(yī)護人員需根據(jù)病灶位置和患者體型確定切口位置，對腹腔鏡手術(shù)機器人的操作臂術(shù)前擺放位置進行調(diào)整。合理的術(shù)前擺位能夠提高機械臂的靈巧度，增大可視空間與操作空間的交集區(qū)域，降低機械臂之間的相互干涉影響。由于醫(yī)護人員并不了解機器人學科的相關(guān)技術(shù)，僅靠經(jīng)驗判斷很難給出適合手術(shù)的初始器械臂空間位姿，因此對于臨床應(yīng)用的腹腔鏡外科手術(shù)機器人必須制定出一套快捷有效的術(shù)前擺位方案，以指導醫(yī)生更好更快地完成術(shù)前準備工作，為實施高質(zhì)量手術(shù)奠定基礎(chǔ)。其核心問題就是如何通過優(yōu)化遠心不動點的術(shù)前位置來獲取良好的機械臂運動性能指標，及多操作臂間較大的協(xié)作空間和較小的干涉影響。對于未來的腹腔鏡外科手術(shù)機器人系統(tǒng)來說，術(shù)前擺位規(guī)劃也是研究的主要方向之一。

受當前科技水平的限制，目前的腹腔鏡外科手術(shù)機器人并不具備單獨開展手術(shù)的能力。出于對手術(shù)安全和手術(shù)效果的考慮，術(shù)中需要醫(yī)生的實際參與。本文上述提及的腹腔鏡外科手術(shù)在機器人系統(tǒng)均通過主從空間映射的方法進行控制。主從控制性能的好壞對于手術(shù)質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作用。由于主操作手與從動機械臂的機構(gòu)運動學模型差異，導致主從手運動空間不一致，對于這種典型的主從異構(gòu)系統(tǒng)，需要在笛卡爾空間內(nèi)對主從運動軌跡進行規(guī)劃[25-26]，以實現(xiàn)從端系統(tǒng)對主端系統(tǒng)的運動軌跡跟蹤。在保證鏡下主從操作臂位姿一致性的前提下，應(yīng)增強主從映射算法的實時性并對器械末端軌跡進行平滑規(guī)劃處理。在實際手術(shù)過程中，為增強對于不同手術(shù)或不同手術(shù)環(huán)節(jié)的適應(yīng)性，主從運動控制比需要實時進行調(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)對腹腔鏡手術(shù)機器人的運動范圍加以限定并增加濾除醫(yī)生手部生理抖動的控制算法。在手術(shù)過程中由于比例控制的限制，當遇到主手已達到運動空間極限或主手之間發(fā)生干涉而從操作臂仍未到達目標區(qū)域的情況時，需暫時中斷系統(tǒng)當前的主從映射關(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，乃至如今的機器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)機器人的商品化進程，醫(yī)療手術(shù)器具始終處在不斷的演變與進化之中。未來的微創(chuàng)手術(shù)機器人會有更小的機構(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)。高新的機器人技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用會形成一個新的產(chǎn)業(yè)。相信在不久的將來醫(yī)療外科機器人系統(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