手術(shù)機(jī)器人的前世今生

趙琛 曹煜楨 徐凱

手術(shù)機(jī)器人是集臨床醫(yī)學(xué)、機(jī)械學(xué)、生物力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科于一體的集成操作系統(tǒng)。得益于機(jī)械控制、視覺成像、光電技術(shù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，手術(shù)機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用推動(dòng)手術(shù)向智能化、精準(zhǔn)化、微創(chuàng)化方向發(fā)展。在提升手術(shù)效果、改善醫(yī)生工作環(huán)境的同時(shí)，手術(shù)機(jī)器人技術(shù)可以進(jìn)一步減輕病人創(chuàng)傷，實(shí)現(xiàn)更加安全可靠、重復(fù)性高的手術(shù)治療。

雖稱為“機(jī)器人”，但手術(shù)機(jī)器人距離真正代替醫(yī)生、獨(dú)立進(jìn)行手術(shù)的智能時(shí)代還有很長(zhǎng)的發(fā)展路程，目前仍處于輔助醫(yī)生完成手術(shù)的半自動(dòng)階段，針對(duì)不同病理而形態(tài)各異的手術(shù)機(jī)器人只取代或增強(qiáng)醫(yī)生的手部動(dòng)作，操作決策還需要醫(yī)生的判斷。因此在數(shù)十年發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的積累下，探索以提高患者獲益為最終目標(biāo)、融合更加完善智能技術(shù)的手術(shù)機(jī)器人具有很大的挑戰(zhàn)和重要的意義 。

圖1 手術(shù)機(jī)器人分類

手術(shù)機(jī)器人的起源與發(fā)展

更微創(chuàng)的手術(shù)有利于減少大創(chuàng)口給病人帶來的痛苦、加快術(shù)后恢復(fù)速度，是促使手術(shù)機(jī)器人出現(xiàn)的重要原因。同時(shí)，機(jī)器人精準(zhǔn)的定位和動(dòng)作，使其在需要精細(xì)操作的手術(shù)場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用，因而已在普外科、神經(jīng)外科、泌尿外科、骨科、婦科等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。按照手術(shù)目標(biāo)臟器類型，手術(shù)機(jī)器人可分為硬組織機(jī)器人和軟組織機(jī)器人。針對(duì)硬組織，主要包括神經(jīng)外科和骨科手術(shù)機(jī)器人；針對(duì)軟組織，可分為腔鏡手術(shù)機(jī)器人、經(jīng)自然腔道手術(shù)機(jī)器人、血管介入手術(shù)機(jī)器人和經(jīng)皮穿刺手術(shù)機(jī)器人。

手術(shù)機(jī)器人發(fā)展初期主要集中在工業(yè)機(jī)器人到手術(shù)機(jī)器人的應(yīng)用探索，以神經(jīng)外科和骨科為主要手術(shù)場(chǎng)景，利用工業(yè)機(jī)器人定位精度高的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的手術(shù)操作。1985年郭易山（Yik San Kwoh，音譯）等采用PUMA 200工業(yè)機(jī)器人完成的神經(jīng)外科腦部手術(shù)，是機(jī)器人技術(shù)在手術(shù)場(chǎng)景中的首次應(yīng)用，從而拉開了手術(shù)機(jī)器人發(fā)展的序幕。1988年探針（Probot）系統(tǒng)完成了手術(shù)機(jī)器人輔助下的首例前列腺手術(shù)。1992集成外科系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)的機(jī)器人醫(yī)生（Robodoc）系統(tǒng)完成了全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，并獲得首個(gè)美國(guó)食品藥品管理局（FDA）認(rèn)證。在神經(jīng)外科手術(shù)中，手術(shù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)手術(shù)替代傳統(tǒng)開顱手術(shù)的重大轉(zhuǎn)變。定位問題是手術(shù)中的關(guān)鍵，傳統(tǒng)神經(jīng)外科手術(shù)使用立體定向手術(shù)工具，需要患者在清醒時(shí)佩戴頭架，過程十分痛苦，同時(shí)手術(shù)耗時(shí)長(zhǎng)、視野存在死角。手術(shù)機(jī)器人利用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，可應(yīng)用在癲癇、帕金森病、腦腫瘤和腦出血等治療中。傳統(tǒng)骨科手術(shù)中的關(guān)節(jié)置換手術(shù)、脊柱手術(shù)、骨科創(chuàng)傷手術(shù)具有精度差、截骨誤差高、植釘不良率高等臨床痛點(diǎn)，手術(shù)機(jī)器人的使用可提高手術(shù)精確度和穩(wěn)定性、減少神經(jīng)血管的損傷、避免癱瘓等嚴(yán)重并發(fā)癥。

隨著顯微手術(shù)和腹腔鏡手術(shù)的實(shí)現(xiàn)，手術(shù)機(jī)器人發(fā)展進(jìn)入突破階段，面對(duì)臨床需求實(shí)現(xiàn)了更加靈活精巧的動(dòng)作、更高的手術(shù)精度，同時(shí)采用遙操作大幅減輕了醫(yī)生的疲勞程度。顯微手術(shù)與發(fā)展初期的神經(jīng)手術(shù)最大的區(qū)別在于前者不再通過植入電極進(jìn)行刺激，而是對(duì)神經(jīng)直接操作實(shí)現(xiàn)治療。從開放手術(shù)到腔鏡手術(shù)再到經(jīng)自然腔道手術(shù)，手術(shù)方式逐漸向微創(chuàng)化發(fā)展。1993年美國(guó)電腦動(dòng)作公司開發(fā)的伊索（Aesop）機(jī)器人完成首例腹腔鏡手術(shù)，在此基礎(chǔ)上研制的Zeus系統(tǒng)采用了主從遙操作技術(shù)。1997年直覺外科公司研制的達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)完成首次人體試驗(yàn)，并于2000年獲得FDA批準(zhǔn)，在保證患者創(chuàng)傷面積小的基礎(chǔ)上，提高了手術(shù)操作精準(zhǔn)性和靈活性，使機(jī)器人技術(shù)在手術(shù)場(chǎng)景中的應(yīng)用得到更加廣泛的關(guān)注。針對(duì)腔鏡手術(shù)中器械運(yùn)動(dòng)受限、器械通過人體切口的“蹺蹺板效應(yīng)”、術(shù)野差、醫(yī)生容易疲勞等臨床痛點(diǎn)，達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人通過植入腕部關(guān)節(jié)增加腔內(nèi)靈活性，采用遙操作主從運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直觀操作，并通過高清雙目成像形成直觀的手眼協(xié)調(diào)循環(huán)。

達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人在商業(yè)化上的巨大成功，推動(dòng)手術(shù)機(jī)器人進(jìn)入多元化發(fā)展階段，在關(guān)節(jié)手術(shù)、脊椎手術(shù)、單孔腔鏡手術(shù)、多孔腔鏡手術(shù)、血管介入手術(shù)、神經(jīng)外科手術(shù)等場(chǎng)景中取得進(jìn)一步發(fā)展。

典型手術(shù)機(jī)器人的技術(shù)淺析

神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人1985年，美國(guó)長(zhǎng)灘紀(jì)念醫(yī)學(xué)中心放射科郭易山團(tuán)隊(duì)使用工業(yè)機(jī)器人PUMA 200進(jìn)行了腦部立體定向活檢，利用工業(yè)機(jī)器人重復(fù)定位精度高的特點(diǎn)引導(dǎo)穿刺針進(jìn)行活檢。但因病人頭部相對(duì)于機(jī)器人基座難以進(jìn)行配準(zhǔn)，手術(shù)系統(tǒng)的總體精度仍不太高。1991年，智慧女神（Minerva）是最早能提供實(shí)時(shí)影像引導(dǎo)的系統(tǒng)，可以自動(dòng)進(jìn)行皮膚切開、顱骨鉆孔和儀器操作，并利用術(shù)中CT掃描克服腦組織移位問題。該系統(tǒng)雖然提高了精確性，但輻射和操作安全性存疑，后續(xù)即停止研究。1997年，神經(jīng)伙伴（NeuroMate）是最早獲得FDA批準(zhǔn)的用于臨床的神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人，機(jī)器人采用五自由度、低速設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)術(shù)中有框架和無框架定位。

按照操作方式，神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人可分為定位型和操作型。定位型手術(shù)機(jī)器人例如英國(guó)的NeuroMate、美國(guó)的探路者（Pathfinder）和羅莎一號(hào)大腦（ROSA ONE Brain）、國(guó)內(nèi)的華科精準(zhǔn)西諾機(jī)器人（Sino Robot）和華志微創(chuàng)CAS-R-2。操作型手術(shù)機(jī)器人需要對(duì)神經(jīng)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的要求遠(yuǎn)高于定位型。目前已有大量定位型手術(shù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但操作型機(jī)器人絕大多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室階段，甚至可能需要克服在核磁環(huán)境下精準(zhǔn)操作的驅(qū)動(dòng)、傳感、控制和無菌化問題。神經(jīng)手臂（NeuroArm）是首臺(tái)具備顱內(nèi)操作功能的神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)磁共振成像無干擾。

感知與定位是神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，包括病灶、局部和全局的感知與定位。病灶的感知與定位通過多模態(tài)三維可視化影像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）、核磁共振成像（MRI）、正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（PET）、彌散張量成像（DTI）技術(shù)，多用于術(shù)前進(jìn)行更加安全有效的手術(shù)規(guī)劃。局部感知與定位通過配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)術(shù)中的病灶定位，可采用植入、粘貼標(biāo)記或3D結(jié)構(gòu)光/表面重建的方式。手術(shù)環(huán)境的全局感知基于智能避障和姿態(tài)補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)，為未來自動(dòng)化手術(shù)奠定基礎(chǔ)。

骨科手術(shù)機(jī)器人19世紀(jì)及以前，骨科手術(shù)還處于依賴醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)的時(shí)代。20世紀(jì)中后葉，隨著影像技術(shù)的發(fā)展，影像引導(dǎo)醫(yī)生可以進(jìn)行更加精準(zhǔn)的骨科手術(shù)。到了21世紀(jì)，機(jī)器人在手術(shù)中的應(yīng)用使骨科手術(shù)進(jìn)入了機(jī)器人智能輔助時(shí)代。

最早實(shí)現(xiàn)技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用的骨科手術(shù)機(jī)器人分為被動(dòng)型、半主動(dòng)型和主動(dòng)型三種。主動(dòng)型機(jī)器人使用機(jī)器人自主完成手術(shù)過程，包括1986年美國(guó)的機(jī)器人醫(yī)生和1997年德國(guó)的卡斯帕（Caspar）。該類手術(shù)機(jī)器人出現(xiàn)的時(shí)間最早，但因安全性、手術(shù)效率、準(zhǔn)備時(shí)間等問題，此類系統(tǒng)無法得到推廣與應(yīng)用。因此，目前骨科手術(shù)以半主動(dòng)型和被動(dòng)型機(jī)器人為主。半主動(dòng)型機(jī)器人由醫(yī)生與機(jī)器人共同操作；被動(dòng)型機(jī)器人本身不進(jìn)行手術(shù)操作，醫(yī)生具有完全的主動(dòng)控制權(quán)。1992年倫敦帝國(guó)理工學(xué)院開發(fā)了首個(gè)半主動(dòng)型骨科機(jī)器人，首次引入“觸覺感知”理念，并將術(shù)前規(guī)劃信息映射到手術(shù)操作區(qū)域，由機(jī)器人提供操作區(qū)域約束，醫(yī)生通過拖拽實(shí)現(xiàn)骨骼成形操作。

骨科手術(shù)機(jī)器人典型的系統(tǒng)組成中，導(dǎo)航定位系統(tǒng)采用光學(xué)定位、術(shù)中CT、磁導(dǎo)航等方式，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)適用的配準(zhǔn)定位；手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化建模與規(guī)劃；機(jī)械臂執(zhí)行系統(tǒng)通過滿足臨床需求的高性能硬件與運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的操作。

在脊柱外科手術(shù)中，目前手術(shù)機(jī)器人主要針對(duì)的臨床術(shù)式為椎弓根釘固定術(shù)，采用醫(yī)學(xué)影像規(guī)劃實(shí)現(xiàn)空間精準(zhǔn)定位，機(jī)械臂自主完成或?qū)бt(yī)生完成植入通道鉆制操作。針對(duì)創(chuàng)傷骨科手術(shù)，前期的研究主要應(yīng)用于長(zhǎng)肢骨骨折復(fù)位手術(shù)，但由于骨折手術(shù)分型的多樣性，創(chuàng)傷骨科機(jī)器人目前還沒有實(shí)現(xiàn)廣泛臨床應(yīng)用與產(chǎn)品化推廣。

血管介入手術(shù)機(jī)器人血管介入手術(shù)是在醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)航輔助下，操作導(dǎo)管、導(dǎo)絲等介入器械在患者血管中按術(shù)前規(guī)劃路徑前進(jìn)，精準(zhǔn)到達(dá)病灶位置并進(jìn)行治療。傳統(tǒng)血管介入手術(shù)中，醫(yī)生在透視成像的輔助下，通過在血管內(nèi)遞送、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)絲導(dǎo)管完成血管內(nèi)壁支架搭建、血栓溶解和藥物放置。但長(zhǎng)期暴露在輻射中，對(duì)醫(yī)生健康造成嚴(yán)重威脅，同時(shí)鉛防護(hù)圍裙負(fù)重大，手部疲勞、顫抖等因素對(duì)操作精度帶來較大影響。因此血管介入手術(shù)機(jī)器人通過輔助醫(yī)生遠(yuǎn)程控制導(dǎo)管、導(dǎo)絲進(jìn)行手術(shù)，可避免X射線暴露，實(shí)現(xiàn)更高的操作精度和更穩(wěn)定的手術(shù)結(jié)果。

早期的血管介入手術(shù)機(jī)器人基于磁導(dǎo)航系統(tǒng)。2004年，美國(guó)立體定位（Stereotaxis）公司設(shè)計(jì)了第一代磁導(dǎo)航系統(tǒng)Telstar，但系統(tǒng)需要特殊的導(dǎo)絲、導(dǎo)管，無法進(jìn)行球囊、支架操作，同時(shí)操作距離和力量有限。2006年以色列RNS血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)采用了電機(jī)械系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)導(dǎo)絲導(dǎo)航器推送和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)絲，有效提高介入手術(shù)精確度。在RNS基礎(chǔ)上，2012年美國(guó)醫(yī)療機(jī)器人公司Corindus開發(fā)了CorPath200機(jī)器人系統(tǒng)，并由此改進(jìn)了更精準(zhǔn)的CorPath GRX血管介入手術(shù)機(jī)器人。美國(guó)漢森公司開發(fā)的Sensi X1采用了可彎曲的主動(dòng)導(dǎo)管，Sensi X2系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上增加了導(dǎo)管尖端力反饋。

血管介入手術(shù)機(jī)器人根據(jù)手術(shù)部位可分為冠脈介入、神經(jīng)介入和外周介入。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的泛血管介入手術(shù)機(jī)器人可同時(shí)開展多種術(shù)式，避免手術(shù)過程中導(dǎo)管、導(dǎo)絲的更換，因此無需定制專用手術(shù)器械，可減少醫(yī)院采購(gòu)費(fèi)用。

血管介入手術(shù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)中，圖像導(dǎo)航系統(tǒng)通過血管成像判斷介入器械位置；導(dǎo)管設(shè)備采用主動(dòng)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)管以適應(yīng)不同血管和手術(shù)步驟；機(jī)械臂結(jié)構(gòu)需具有高柔順性和靈活性，精準(zhǔn)快速操作導(dǎo)管；添加力反饋系統(tǒng)可以將血管接觸力反饋于操作端，從而減少血管破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)皮穿刺手術(shù)機(jī)器人傳統(tǒng)經(jīng)皮穿刺手術(shù)中，醫(yī)生在醫(yī)學(xué)影像引導(dǎo)下，采用穿刺針或?qū)Ч?，?jīng)過人體皮膚，直接到達(dá)患部對(duì)病灶進(jìn)行診斷或治療。掃描與穿刺同步進(jìn)行或異步進(jìn)行的方式都具有缺乏實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的術(shù)區(qū)信息感知、呼吸作用導(dǎo)致難以刺中靶點(diǎn)、對(duì)醫(yī)生技術(shù)依賴性大等臨床痛點(diǎn)。

經(jīng)皮穿刺手術(shù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)中，術(shù)前醫(yī)學(xué)成像采用CT、MRI等技術(shù)采集病變部位醫(yī)學(xué)圖像。路徑規(guī)劃和導(dǎo)航定位系統(tǒng)是另一關(guān)鍵技術(shù)，可基于光學(xué)系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航。在穿刺過程中，針對(duì)軟組織的受力變形、穿刺針的彎曲變形以及穿刺針受力導(dǎo)致的穿刺路徑變化，需進(jìn)行合適的變形補(bǔ)償。此外，需克服手術(shù)過程中的不自主體動(dòng)，胸部、腹部穿刺時(shí)，靶點(diǎn)位置會(huì)隨呼吸運(yùn)動(dòng)而改變，人體疼痛反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生不自主的肌肉收縮進(jìn)而影響體表定位。

穿刺活檢手術(shù)機(jī)器人在乳房活檢、肺部活檢、前列腺活檢等手術(shù)中都有廣泛應(yīng)用。與消融相結(jié)合，經(jīng)皮穿刺手術(shù)機(jī)器人也可應(yīng)用于腫瘤消融。

腔鏡手術(shù)機(jī)器人腔鏡手術(shù)機(jī)器人是目前產(chǎn)生商業(yè)價(jià)值最大的一類手術(shù)機(jī)器人，應(yīng)用范圍廣泛，主要應(yīng)用于泌尿外科、婦科、普外科以及心胸外科等領(lǐng)域。以達(dá)芬奇系統(tǒng)舉例，腔鏡手術(shù)機(jī)器人通常由醫(yī)生控制臺(tái)、機(jī)械臂及影像系統(tǒng)組成。

腔鏡手術(shù)機(jī)器人可分為多孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人及單孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人。多孔機(jī)器人采用多個(gè)切口完成手術(shù)治療，操作方便，手術(shù)視野廣。單孔機(jī)器人僅采用單個(gè)切口，創(chuàng)傷小、恢復(fù)快，在高度聚焦的狹窄空間進(jìn)行手術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。目前多孔機(jī)器人的市場(chǎng)被美國(guó)完全壟斷，單孔機(jī)器人中達(dá)芬奇SP手術(shù)系統(tǒng)占領(lǐng)先地位。

多孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人構(gòu)型相對(duì)統(tǒng)一，由體外機(jī)械臂和長(zhǎng)桿狀手術(shù)工具組成。手術(shù)工具末端通過增加腕關(guān)節(jié)以提高操作靈活性，常見的有滑輪鋼絲機(jī)構(gòu)、連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、連續(xù)體機(jī)構(gòu)、窄帶變形機(jī)構(gòu)等，通過它們實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。體外機(jī)械臂滿足遠(yuǎn)心運(yùn)動(dòng)約束，使得直桿手術(shù)工具始終通過病患身體上的一個(gè)切口，不會(huì)對(duì)病患腹腔壁造成牽拉?？蓪?shí)現(xiàn)RCM運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有平行四邊形機(jī)構(gòu)、同步帶等效平行四邊形機(jī)構(gòu)、平行四邊形和并聯(lián)機(jī)構(gòu)、球面連桿機(jī)構(gòu)、純并聯(lián)機(jī)構(gòu)、空間導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)等。機(jī)器人系統(tǒng)一般配有3D腹腔鏡，通過選配體感操作和力反饋系統(tǒng)可提高操作準(zhǔn)確度。

單孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人的研制更為困難，腔鏡直徑是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，通過單個(gè)切口需放置一個(gè)視覺模塊和2～3支手術(shù)臂，視覺模塊須集成照明功能，手術(shù)臂須有足夠的強(qiáng)度和工作空間。

圖2 國(guó)內(nèi)外腔鏡手術(shù)機(jī)器人舉例

根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式不同，單孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人有多種實(shí)現(xiàn)方式。鋼絲驅(qū)動(dòng)型系統(tǒng)中，2014年美國(guó)直覺外科公司開始研發(fā)的Vinci SP系統(tǒng)，采用了直徑25mm腔鏡。但鋼絲驅(qū)動(dòng)的多關(guān)節(jié)手術(shù)工具因難以放入足夠的滑輪，鋼絲不耐磨損，繃斷風(fēng)險(xiǎn)高。電機(jī)內(nèi)置型系統(tǒng)在手術(shù)工具內(nèi)部植入微電機(jī)，為避免高頻高壓電對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的影響，需在電機(jī)旁進(jìn)行電磁防護(hù)，手術(shù)臂粗大，成本昂貴。為替代鋼絲驅(qū)動(dòng)，日本早稻田大學(xué)和韓國(guó)大邱慶北科學(xué)技術(shù)院（DGIST）研究所分別研制了連桿驅(qū)動(dòng)型系統(tǒng)，但系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)靈活性不足。連續(xù)體機(jī)構(gòu)型系統(tǒng)基于對(duì)偶連續(xù)體機(jī)構(gòu)，通過機(jī)構(gòu)整體變形實(shí)現(xiàn)手術(shù)執(zhí)行臂運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活。連續(xù)體同時(shí)承擔(dān)結(jié)構(gòu)和變形傳動(dòng)的作用，可以實(shí)現(xiàn)更加緊湊的設(shè)計(jì)。2014年上海交通大學(xué)徐凱教授團(tuán)隊(duì)研制的直徑12mm腔鏡SURS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了世界最小皮膚切口。

腔鏡手術(shù)機(jī)器人擁有巨大且快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。美直覺外科公司的達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)占據(jù)行業(yè)絕對(duì)壟斷地位，此外美國(guó)TransEnterix公司的Senhance、韓國(guó)Meere公司Revo-i、美敦力Hugo系統(tǒng)等產(chǎn)品均已獲批上市。在單孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人賽道，2007年世界首套單孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人IREP系統(tǒng)在美國(guó)哥大立項(xiàng)，2015年美國(guó)直覺外科公司的達(dá)芬奇SP單孔系統(tǒng)基本完成研發(fā)定型。國(guó)內(nèi)公司中，北京術(shù)銳技術(shù)有限公司基于連續(xù)體蛇形臂技術(shù)研發(fā)的單孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的切割和縫合，于2021年完成了亞洲首臺(tái)純單孔機(jī)器人前列腺癌根治術(shù)，在相同手術(shù)效果下，與達(dá)芬奇多孔系統(tǒng)相比切口數(shù)量更少、面積更小。目前，術(shù)銳公司與多家臨床中心開展了普外科、婦科等單孔機(jī)器人手術(shù)臨床試驗(yàn)，在自主研發(fā)、替代進(jìn)口上具有重大意義。

經(jīng)自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)機(jī)器人經(jīng)自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)（NOTES）通過人體與外界自然相通的腔道，以內(nèi)鏡進(jìn)入腹腔、縱隔或胸腔等進(jìn)行探查、活檢以及各種手術(shù)操作，具有痛苦少、體表無疤痕、創(chuàng)傷小、恢復(fù)快的優(yōu)勢(shì)。但同時(shí)NOTES機(jī)器人存在視野有限、無觸覺感知的問題。

NOTES機(jī)器人通常包括1個(gè)攝像頭、2只機(jī)械臂，末端工具一般為夾鉗和電刀。操作臂直徑、末端靈活度和夾鉗的加持力是NOTES機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

1994年，威爾克（Wilk）首次提出了經(jīng)人體自然腔道實(shí)施手術(shù)治療的設(shè)想。2007年，普渡大學(xué)的艾博特（Abbott）等人開發(fā)了ViaCath系統(tǒng)，內(nèi)鏡和操作臂通過胃腸道到達(dá)體內(nèi)。2 015年，醫(yī)療機(jī)器人（Medrobotics）公司開發(fā)的Flex機(jī)器人經(jīng)口進(jìn)入咽部和下咽部進(jìn)行手術(shù)，是第一個(gè)被FDA批準(zhǔn)用于經(jīng)自然腔道手術(shù)的機(jī)器人，但因到達(dá)部位受限，適應(yīng)證有限。強(qiáng)生Monarch機(jī)器人結(jié)合nCLE-成像可進(jìn)行腹部小結(jié)節(jié)檢查，采用外徑3.5mm的超細(xì)導(dǎo)管可到達(dá)細(xì)支氣管。Anovo機(jī)器人可在經(jīng)肚臍腹腔鏡輔助下，進(jìn)行經(jīng)陰道的良性外科手術(shù)，并于2021年2月獲得FDA許可。

手術(shù)機(jī)器人的未來與展望

“眼”更亮隨著表面重建、熒光和多光譜成像、共聚焦顯微內(nèi)鏡、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展，手術(shù)機(jī)器人可以給醫(yī)生提供更加清晰、直觀的手術(shù)視野，輔助醫(yī)生更好地完成手術(shù)。

“手”更準(zhǔn)通過增加夾緊力感知系統(tǒng)、操作力感知系統(tǒng)和多感知信息人機(jī)交互控制技術(shù)，醫(yī)生使用手術(shù)機(jī)器人的過程中可實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的控制。

“腦”更聰借助人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手術(shù)自動(dòng)化是手術(shù)機(jī)器人的未來發(fā)展趨勢(shì)。2022年1月，機(jī)器人首次在豬的軟組織上獨(dú)立完成腹腔鏡小腸吻合術(shù)，推動(dòng)手術(shù)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展。手術(shù)自動(dòng)化從“無自動(dòng)化”到“完全自動(dòng)化”可劃分為0～5級(jí)，目前大多數(shù)手術(shù)機(jī)器人仍處于機(jī)器人輔助階段，手術(shù)自動(dòng)化發(fā)展存在巨大挑戰(zhàn)和廣闊發(fā)展前景。

“體”更微微型化是手術(shù)機(jī)器人的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，膠囊機(jī)器人、微納機(jī)器人的發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)手術(shù)無創(chuàng)化。

手術(shù)方式、微創(chuàng)工具和技術(shù)的創(chuàng)新之路從未停止。未來更加智能、高效、精準(zhǔn)的手術(shù)機(jī)器人將極大地降低患者痛苦，進(jìn)一步提高手術(shù)產(chǎn)出，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，為人民追求的美好生活作出更大的貢獻(xiàn)、提供更堅(jiān)強(qiáng)的保障。

本文根據(jù)筆者在上海市科學(xué)技術(shù)普及志愿者協(xié)會(huì)主辦的“海上科普論壇”上的報(bào)告撰寫而成