王培企

摘 要：隨著手術(shù)復雜程度的不斷提高和相關(guān)技術(shù)的不斷進步，手術(shù)機器人得到了廣泛應用，并取得了良好的效果。導航與控制技術(shù)是手術(shù)機器人的核心技術(shù)，本文通過對多種手術(shù)機器人的技術(shù)分析，從計算機視覺、機器人定位、虛擬仿真手術(shù)、實時導航與實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實交互等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述分析，最后對當前面臨的主要問題和今后的發(fā)展方向進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：手術(shù)機器人；計算機視覺；虛擬仿真手術(shù)；實時導航

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）11-0057-03

1 引言

隨著社會物質(zhì)生活水平的不斷提高和日趨復雜多樣的臨床需求，手術(shù)復雜程度不斷增加、要求也越來越高。傳統(tǒng)基于手工操作的手術(shù)模式不僅需要熟練的技術(shù)和豐富的臨床經(jīng)驗，同時手術(shù)時間長、工作量大，不可避免地導致人員疲勞，輕則影響手術(shù)效果、重則導致醫(yī)療事故。隨著計算機技術(shù)、圖像處理、精密儀器等技術(shù)的不斷進步，國內(nèi)外研究團隊將醫(yī)療需求和工程科學的技術(shù)進步相結(jié)合，改變單純依靠醫(yī)生經(jīng)驗進行診斷、治療和手術(shù)的傳統(tǒng)模式，研制了多種不同類型的手術(shù)機器人，完成/輔助完成傳統(tǒng)方法難以完成的復雜診斷和手術(shù)。這既有效提高了手術(shù)效率和精度，又減輕了勞動強度、降低了手術(shù)風險；同時，手術(shù)機器人也有助于降低醫(yī)務(wù)工作者的勞動風險，可有效避免醫(yī)生在放射條件下工作的風險及手術(shù)中被感染的概率。隨著技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，已經(jīng)多種手術(shù)機器人投入臨床手術(shù)應用中。手術(shù)機器人的出現(xiàn)促進了相關(guān)技術(shù)的進步，它不再單純依賴醫(yī)生經(jīng)驗，同時對病情檢測與數(shù)據(jù)獲取更加規(guī)范，這大大促進了相關(guān)醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展。手術(shù)機器人的產(chǎn)生及臨床應用，不僅是科學技術(shù)提高人民健康水平的具體應用，滿足了全社會日益增長的醫(yī)療需求，同時也具有極高的商業(yè)價值。

截至2014年底，美國Intuitive Surgical公司的達芬奇手術(shù)機器人系統(tǒng)裝機達3266臺，國內(nèi)引入價格高達2000萬元。手術(shù)機器人系統(tǒng)不只具有廣大的銷售市場，更存在能改變醫(yī)療行業(yè)規(guī)則的潛力，是未來醫(yī)療領(lǐng)域布局的重要戰(zhàn)略性儀器設(shè)備。我國將在手術(shù)機器人熱潮中迎來重要發(fā)展機會。我國目前市場達到8.5億，到2018年將達到15.7億。近年來，國內(nèi)相繼出臺了支持高新醫(yī)療器械研發(fā)的相關(guān)政策，國內(nèi)高等院校、科研機構(gòu)和相關(guān)企業(yè)取得了多項技術(shù)突破與研究成果，我國將有望打破手術(shù)機器人進口壟斷的局勢。構(gòu)建涵蓋，從研制、生產(chǎn)、銷售、耗材與保養(yǎng)、技術(shù)支持與售后服務(wù)等方面的手術(shù)機器人全產(chǎn)業(yè)鏈體系。

本論文主要針對手術(shù)機器人領(lǐng)域中的導航與控制技術(shù)的相關(guān)研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)難點等進行詳細論述。

2 手術(shù)機器人概述

2.1 手術(shù)機器人的發(fā)展

手術(shù)機器人的主要代表產(chǎn)品如表1所示。

（1）第一臺真正的醫(yī)療機器人——ROBODOC。由美國IBM Thomas J.Watson研究中心和加利福利亞大學聯(lián)合成立的Integrated Surgical Systems于1992年推出手術(shù)機器人ROBODOC[1]，并被FDA認可通過。該機器人可完成全髖骨替換、髖骨置換及修復和膝關(guān)節(jié)置換等手術(shù)，髖關(guān)節(jié)置換過程中，它對股骨的調(diào)整精確度達到96%，而醫(yī)生手工操作的精確度只有75%[2]。（2）第一臺商業(yè)化的手術(shù)機器人——AESOP。AESOP是由美國Computer Motion公司開始研發(fā)的伊索系列機器人[3-4]。王友侖在 1989 年開始研究“伊索”（AESOP），并于1997年研制成功。該機器人可以模仿人手臂功能，實現(xiàn)聲控設(shè)置，輔助人員無需手動控制內(nèi)窺鏡，提供比人為控制更精確一致的鏡頭運動，為醫(yī)生提供直接、穩(wěn)定的視場。（3）遠程手術(shù)機器人ZEUS與后起之秀Da Vinci。Computer Motion推出的ZEUS機器人是外科史上繼微創(chuàng)技術(shù)及電腦輔助應用后的第三次變革，引入了遠程手術(shù)的概念。2001年，完成了醫(yī)師與患者異地的膽囊摘除手術(shù)。達芬奇手術(shù)機器人是目前全球最成功及應用最廣泛的手術(shù)機器人[5-6]，代表著當今手術(shù)機器人最高水平，它主要由醫(yī)生控制系統(tǒng)、三維成像視頻影像平臺和擁有機械臂、攝像臂和手術(shù)器械構(gòu)成的移動平臺等三部分組成。實施手術(shù)時，主刀醫(yī)師通過三維視覺系統(tǒng)和動作定標系統(tǒng)操作控制，由機械臂與手術(shù)器械模擬完成醫(yī)生的技術(shù)動作和手術(shù)操作。截止2010年，達芬奇微創(chuàng)手術(shù)機器人已推出已在全世界裝機1752臺，已經(jīng)成功開展了25萬多例機器人手術(shù)。

2.2 主要研究機構(gòu)

手術(shù)機器人主要研究機構(gòu)[7]主要有麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室醫(yī)學視覺組、斯坦福大學圖像導航實驗室、卡耐基梅隆大學與西賓夕法尼亞醫(yī)院合作的醫(yī)學機器人與計算機輔助外科手術(shù)研究中心、哈佛醫(yī)學院與Brigham and Womens Hospital醫(yī)院的外科手術(shù)規(guī)劃實驗室、霍普金斯大學國家科學基金工程中心的計算機集成外科手術(shù)系統(tǒng)與技術(shù)組等。其中，美國麻省理工學院、哈佛醫(yī)學院等高校取得了較大的理論研究成果。另外，通用醫(yī)療、飛利浦、西門子、美敦力、Brain Lab、東芝等醫(yī)療器械廠商紛紛推出了自己的手術(shù)機器人產(chǎn)品。

2.3 手術(shù)機器人面臨的主要問題

雖然手術(shù)機器人有著諸多優(yōu)點與巨大潛力，但仍受技術(shù)條件制約。手術(shù)機器人價格較高，達芬奇手術(shù)機器人采購費用在1700萬人民幣左右[8]，且使用成本較高，部分器械屬手術(shù)耗材，每例手術(shù)平均耗材費用約2萬元。其次，系統(tǒng)復雜，醫(yī)務(wù)工作者需要花費一定時間才能完全掌握?！皩Ш脚c控制技術(shù)”是手術(shù)機器人的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，同時也是手術(shù)機器人的核心技術(shù)，存在以下幾個難點[9]：

（1）機器人作業(yè)范圍有限，容易進入死機狀態(tài)；需要有效提高其作業(yè)范圍，提高導航能力。（2）為了減少手動控制，系統(tǒng)誤差也會不可避免的增大。（3）由于雙手不直接接觸手術(shù)部位，缺乏觸覺反饋，無法判斷質(zhì)地、彈性、有無搏動等性質(zhì)。（4）手術(shù)機器人改變了醫(yī)生業(yè)已習慣的手術(shù)流程，對操作醫(yī)師的計算機應用技巧、外語水平以及影像學知識等要求較高，技術(shù)門檻較高，操作較復雜。

3 手術(shù)機器人導航與控制技術(shù)分析

3.1 手術(shù)流程

手術(shù)的整體流程如圖1所示，傳統(tǒng)手術(shù)和機器人手術(shù)均需要首先對病患處進行數(shù)據(jù)采集，醫(yī)生根據(jù)病人情況，結(jié)合臨床經(jīng)驗制定手術(shù)計劃，然后直接施行手術(shù)。與傳統(tǒng)手術(shù)不同[10]，手術(shù)機器人最大優(yōu)點是通過三維重建技術(shù)進行手術(shù)方案模擬，制定最合理方案，通過定位導引與實時導航進行手術(shù)，最后進行術(shù)后評估。

3.2 視覺技術(shù)

（1）機器視覺技術(shù)發(fā)展。導航與控制技術(shù)是手術(shù)機器人的核心技術(shù)，視覺技術(shù)是導航技術(shù)的關(guān)鍵。典型機器人視覺系統(tǒng)包括光源、數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)、智能決策與控制執(zhí)行系統(tǒng)等。機器人視覺系統(tǒng)分為三代[11-12]。第一代主要功能為圖像采集與處理，功能簡單；第二代有一定的學習自適應能力；第三代采用高速圖像處理芯片，具有一定的人工智能和機器學習能力[13-14]。（2）計算機視覺。計算機的視覺可分為兩種，一種只需要圖形的被動方法，另一種則需要控制光源進入特定環(huán)境進行主動的獲取。與被動的獲取不同，主動獲取通過自身光源創(chuàng)造自己所需的拍攝環(huán)境。以ToF（Time of flight）相機為例，采用肉眼不可見的紅外照明，通過光線反射時間從而計算深度，從而通過像機獲取實時圖像及三維深度信息。ToF相機在醫(yī)學的內(nèi)鏡等領(lǐng)域有極為廣泛的應用。（3）視覺定位技術(shù)。常規(guī)腹腔鏡圖像分辨率可達到1920×1080像素，圖像分辨率高，可滿足常規(guī)手術(shù)的需要[15]。然而，二維成像技術(shù)難以滿足日益提高的手術(shù)精度要求。二維成像技術(shù)由于在透視投影變換中消去了深度信息，可能導致對一些重要的生理解剖結(jié)構(gòu)等視覺錯覺，影響手術(shù)安全。二維成像技術(shù)的不足促進了三維成像技術(shù)的發(fā)展。達芬奇手術(shù)機器人成像系統(tǒng)[16]采用高分辨率三維內(nèi)窺鏡，能為醫(yī)生提供患者體腔內(nèi)三維高清實時圖像，從而更方便高效地完成手術(shù)，提升了手術(shù)精度。

立體視覺通過利用多幅二維圖像恢復物體三維空間的位置與形狀，是三維重建技術(shù)的主要方法[17]。雙目立體視覺系統(tǒng)模仿人類眼睛的成像原理，從不同視覺角度觀察同一物體的立體視覺系統(tǒng)[18-19]。雙目立體視覺定位系統(tǒng)通過兩個不同攝像頭進行圖像采集確定像機的相位位置和姿態(tài)，完成系統(tǒng)標定，然后求出空間點在兩幅圖像間的對應關(guān)系，從而可根據(jù)雙目視覺原理對匹配好的特征點進行三維重建，最終得到三維場景模型。

3.3 虛擬仿真

醫(yī)生可借助相關(guān)軟件通過對獲取的三維圖像和三維場景進行多次虛擬手術(shù)，得到最佳解決方案。這些軟件包括Mimics和Dolphin Imaging等，它們提供了三維分析、模擬截骨手術(shù)、模式識別與轉(zhuǎn)換等諸多功能，Dolphin等軟件甚至可以通過相關(guān)算法使用彩色增強圖像的真實感與渲染感，方便醫(yī)生制定更完備具體的手術(shù)計劃。

3.4 實時導航系統(tǒng)

手術(shù)實時導航系統(tǒng)目前被廣泛應用于脊髓科，骨科，神經(jīng)科，牙種植外科等醫(yī)學領(lǐng)域，也被應用于術(shù)后創(chuàng)傷回復等方面。手術(shù)導航系統(tǒng)主要流程：將CT等設(shè)備獲取的人體數(shù)據(jù)與醫(yī)生擬定的手術(shù)計劃裝訂至導航計劃軟件中，一般可將預定標識或牙齒、骨頭等作為參考點標記三維重建場景中；通過這些參考點，可建立虛擬圖像與病人實體間的對應關(guān)系；最后通過參考點對實際手術(shù)與虛擬手術(shù)進行匹配驗證和導引。

3.5 虛擬與現(xiàn)實的聯(lián)系

手術(shù)仿真系統(tǒng)工作模式表2所示，手術(shù)仿真系統(tǒng)可分為離線仿真式、主從操作式以及監(jiān)控式[20]。

4 結(jié)語

手術(shù)機器人導航與控制技術(shù)面臨的主要問題：（1）受到圖像處理與目標識別技術(shù)的限制，在處理大分辨率圖像或者復雜背景特征提取時，圖像處理實時性較差和特征識別成功率較低，不能有效快速地識別目標。（2）標定結(jié)果誤差、軟硬件干擾均會導致視覺系統(tǒng)誤差增大[21]，影響手術(shù)效果。

以下幾點是今后一段時期內(nèi)手術(shù)機器人發(fā)展的重要突破方向：（1）降低制造成本及使用維護成本，使手術(shù)機器人更加普遍的投入應用；（2）簡化手術(shù)機器人復雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，簡化操作步驟，使醫(yī)生使用更加方便。（3）小型化與遠程化，設(shè)備體積更小、易于運輸，遠程手術(shù)技術(shù)更加成熟；（4）智能化，具備一定的人工智能，對醫(yī)生的相關(guān)操作進行預測、評估與告警。

參考文獻

[1]王成勇，謝國能，趙丹娜，等.醫(yī)療手術(shù)機器人發(fā)展概況[J].工具技術(shù)，2016（07）：3-12.

[2]沈鵬.護士助手機器人導航與控制技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學，2006.

[3]師云雷.大延遲環(huán)境下遠程微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究[D].天津大學，2014.

[4]殷世平，徐芬華，黃霞萍.機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)在腹腔鏡手術(shù)中應用的配合體會[J].齊魯護理雜志，2005（14）：1265-1266.

[5]陳光富，王希友，張旭.達芬奇手術(shù)機器人系統(tǒng)在泌尿外科的臨床應用及其評價[J].微創(chuàng)泌尿外科雜志，2013（04）：227-231.

[6]杜志江.達芬奇手術(shù)機器人系統(tǒng)技術(shù)分析[J].機器人技術(shù)與應用，2011（04）：14-16.

[7]馬文娟.紅外手術(shù)導航儀關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海交通大學，2010.

[8]杜祥民，張永壽.達芬奇手術(shù)機器人系統(tǒng)介紹及應用進展[J].中國醫(yī)學裝備，2011（05）：60-63.

[9]邵長鋒.微創(chuàng)手術(shù)機器人控制程序設(shè)計與研究[D].武漢理工大學，2005.

[10]Lin H H， Lo L J. Three-dimensional computer-assisted surgical simulation and intraoperative navigation in orthognathic surgery： A literature review.[J].Journal of the Formosan Medical Association = Taiwan yizhi，2015（4）：300.

[11]王連朝.微創(chuàng)手術(shù)機器人視覺定位系統(tǒng)的研究[D].武漢理工大學，2006.

[12]Mirota D J， Ishii M， Hager G D. Vision-Based Navigation in Image-Guided Interventions[J].Annual Review of Biomedical Engineering，2011（13）：297-319.

[13]鐘玉琢.機器人視覺技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社，1994.

[14]唐向陽，張勇，李江有，等.機器視覺關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀及應用展望[J].昆明理工大學學報（自然科學版），2004（2）：36-39.

[15]嵇武.三維立體（3D）腹腔鏡的研究與應用進展[J].中國微創(chuàng)外科雜志，2016（06）：481-484.

[16]張偉.達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)——原理、系統(tǒng)組成及應用[J].中國醫(yī)療器械信息，2015（03）：24-25+33.

[17]劉佳音，王忠立，賈云得.一種雙目立體視覺系統(tǒng)的誤差分析方法[J].光學技術(shù)，2003（3）：354-357.

[18]方茜.微創(chuàng)手術(shù)機器人雙目立體視覺的圖像特征匹配技術(shù)研究[D].長沙理工大學，2013.

[19]蔡欽濤.基于圖像的三維重建技術(shù)研究[D].浙江大學，2004.

[20]張峰峰.機器人輔助骨科虛擬手術(shù)系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2009.

[21]張培.面向圖像采集的后處理關(guān)鍵模塊設(shè)計[D].東南大學，2014.