作为机电一体化的典型产品，机器人在很多领域飞速发展，世界各国已经研制成功了应用于制造业、勘探、娱乐、军事、医疗护理等领域的种类繁多的智能机器人。医疗机器人尤其是应用于外科领域的辅助手术机器人已经成为国内外研究热点，使用机器人辅助外科手术将成为一种必然的发展趋势。外科辅助手术机器人系统能够充分利用医学和工程学的各自优势，最大化人机协作能力，极大提高医疗的准确性和保证治疗的高质量，促进数字化外科的发展。现结合国内外相关工程技术及临床研究情况，就外科辅助手术机器人的发展、研究与应用现状、共性关键技术、发展趋势进行简要概述。
一、外科辅助手术机器人概述
机器人能部分代替人类的活动，且与自然人相比有着巨大的优势。如医师仅靠人工操作处理定量信息能力有限，且易受到辐射和感染的影响。机器人具有较高的集合运动精度、可稳定运行且不会疲劳，处理数据能力强，也不必担心辐射与感染的影响，且灭菌方便。
手术机器人借助计算机控制技术，施行靶点定位、药物注入、损毁病灶等手术任务。目前，手术机器人的研究主要集中在外科手术机器人、康复机器人、服务机器人与护理机器人等方面，而使用最广泛的是外科手术机器人。就目前的服务机器人与护理机器人等方面，而使用最广泛的是外科手术机器人。就目前的科学技术发展水平，很难做到完全用医疗机器人代替医师手术，只是提供了功能强大的操作工具以克服传统的外科手术定位精度不高、手术时间过长、术者易疲劳与颤抖、缺乏三维医学图像导航等技术缺陷。
（一）使用机器人辅助外科手术的优点
1.准确定位、微创操作：机器人的震颤过滤系统及动作缩减系统可将手术精度提高到亚毫米级。
2.减轻医师疲劳：避免人为因素带来的意外损伤，大大提高手术安全性。
3.增强灵巧性：多自由度的机械手增强医师操作的灵巧性。
4.直观：机器人监视系统传出的三维图给术者带来更直观的信息反馈。
5.术前准备充分：可进行术前快速手术设计、仿真，实时地模拟手术过程，对术者进行手术技能培训。
6.医疗技术普及：可实现异地远程手术操作，有助于医疗技术的普及。
（二）机器人辅助外科手术研究现状与典型应用
由于外科辅助手术机器人在手术规划、精确定位、微创手术、远程手术、虚拟手术仿真与培训、新型诊疗方案与智能手术器械等方面有独特的优势，所以在微创外科、肝胆外科、骨科、口腔颌面外科、泌尿外科、心血管外科以及腔镜外科等外科多领域的研究取得了重大进展，并且也开始逐渐在临床推广应用。
目前微创外科手术机器入主要应用在泌尿外科、腹腔外科、胸腔外科等医用领域。1987年法国医生Mouret成功实施了世界首例腹腔镜胆囊切除术。在20世纪后期，以腹腔镜手术为代表的微创外科发展迅猛。1996年美国研制出Zeus机器人系统，主要应用于微创伤手术（图1）。美国医师利用Zeus系统完成了著名的超远程胆囊摘除手术“林白手术”。2001年美国开发的DaVinci外科手术机器人系统（图2），该系统是目前少数能商品化的外科手术机器人系统，具有医师控制平台和各种手术器械、多功能手术床与图像处理设备。该系统可为医师提供同开放式手术一样的直觉控制、运动范围和组织处理能力，系统还具有自动纠错功能，能克服医师在操纵控制器时手臂的颤抖，避免出现错误操作。天津大学研制了“妙手”机器人，哈尔滨工业大学等单位也开展了类似的研究工作。北京理工大学等单位研制的超声导航微波消融手术机器人系统，由微波消融手术机器人、超声图像导航和定位三个子系统组成（图3）。通过获取肝脏特征组织图像，并将当前患者实体状态与治疗前获得的三维超声图像和治疗规划结果进行配准，按治疗规划的路径控制机器人进行定位穿刺，同时利用实时超声图像对治疗规划路径进行实时更新。
图1 Zeus机器人系统
图2 DaVinci外科手术机器人系统
图3 微波消融手术机器人系统
1992年推出的商品化产品Robo Doc专用骨科机器人系统主要用于关节置换术中辅助骨骼和假体的成形、定位和置入。有研究表明由Robo Doc辅助完成的手术效果至少能达到传统手术的水平，不需要漫长的学习过程并且在术前规划中具有优势（图4）。瑞典于20世纪90年代末利用临床上广泛使用的C型臂系统研发了PinTrace骨科手术专家系统，解决由术前CT扫描造成的长时间复杂配准问题（图5）。Spinebot机器人系统（图6）可以辅助医师完成对脊椎的钻孔固定，完成病灶穿刺和手术导航等工作。此外典型的膝关节外科机器人还有Acrobot系统、Mars机器人系统、Crigos机器人等。
图4 专用骨科机器人系统-Roho Doe机器人系统
图5 骨科手术机器人系统-PinTrare骨科手术专家系统
图6 骨科手术机器人系统-Spinebot脊柱手术螺钉植入系统
在颅颌面外科机器人方面，德国海德堡大学开发出用于颅颌面外科手术的机器人（图7），该系统可用来插进刚性的导管或在头颅上种植骨支架。目前该系统已经开展动物猪和尸体实验，尚未应用于临床。北京大学口腔医学院·口腔医院与北京理工大学等单位合作研制出国内第一套颅颌面外科辅助手术机器人系统（图8），实现术前手术设计与规划、术中实时导航、机器人辅助定位把持以及术后评估。该系统包括术者操作台和机器人手术台，术者操作台包括力反馈主控操作器、控制面板、三维立体图像显示系统及计算机控制系统。通过导航子系统将手术现场和术前手术规划进行配准，进而引导机械臂进行手术操作。
图7 德围颅颌面外科手术机器人
图8 颅颌面外科辅助手术机器人系统
1999年德国柏林自由大学的Neumann等通过使用电脑游戏操纵杆实现虚拟口腔颌面外科手术培训系统的力反馈功能。2000年香港大学的Xia等开发了虚拟正颌外科手术模拟培训系统，操作者可操作虚拟的手术器械对虚拟的患者进行手术（图9），该系统的特点是可以为CT三维重建软组织模型添加普通二维数码照片纹理，从而得到具有高度真实感的颅颌面模型，并对软组织变形进行预测。2005年美国斯坦福大学开发了基于虚拟现实的唇腭裂手术培训系统，这一系统可以实现实时的软组织变形计算与力反馈功能。
图9 VRSSOS虚拟正颌外科手术模拟培训系统
二、共性关键技术分析
（一）机构综合与多性能指标优化
设计机器人机构首先必须满足较高的安全性要求，其次在方便术者操作的基础上满足特定外科手术过程中的功能需求。从新型机器人的拓扑结构、新型运动副、新型机构支链等方面的研究入手，设计出具有冗余自由度的机器人机构。同时要进行机器人多性能指标优化设计，实现机器人灵活规划、精确定位的目标，提高机器人的刚度和灵活性。
（二）工作空间分析与路径规划
针对特定外科手术的医疗需求，对机器人进行工作空间和路径规划分析？通过建立机械臂的运动学方程、设计轨迹规划算法实现机器人平稳、无振荡运行，避免由于末端速度或加速度过大带来的振动风险。另外，机器人路径规划时需充分考虑手术空间避碰，在灵活工作空间内实现高效率的无碰撞运动，提高手术效率避免干涉可能造成的手术风险。
（三）医学图像处理与机器人导航
外科手术中需综合利用CT、MR、B超等多种成像方法为术者提供不同方面的解剖结构和功能影像信息。医师需利用医学图像配准与融合技术，把解剖图像和功能图像有机结合，使人体内部的结构、功能信息、三维表面扫描模型等多元数据反映在同一幅图像中，从而更加准确直观地为术者提供人体解剖、生理、病理等信息，为手术的规划提供全面、精确、量化的人体信息模型。图像处理子系统将标定结果实时显示在计算机屏幕上，并将标定参数传递给机器人，机器人自动根据外科手术操作的实际情况和实时标定参数精确地完成定位，同时实时显示机器人末端在术前三维头部模型场景中的位置及详细位姿信息，使术者全面掌握机器人末端所处位置的详细解剖结构信息，从而实现机器人手术的导航定位。
（四）虚拟手术系统研究
在外科手术前，建立精确的组织模型，用高度真实感的方式稳定、逼真、实时地模拟手术过程，并将其中一些肉眼不易区分的必要特征显著体现出来，同时模拟组织器官在手术器械的外力交互作用下变形的过程，提供逼真的手术现场感觉。应用虚拟手术系统，术者能够在虚拟的视觉与操作环境中进行操作任务的预先演练，检验系统是否完善。同时可以利用虚拟手术系统进行手术技术培训，以使术者熟练掌握手术机器人系统的操作技巧。
（五）医疗机器人的人机交互技术
对机器人的操作由于缺乏有效的力反馈感知器件，目前主要集中在虚拟力反馈的研究，采用具有生物相容性的微小型力反馈器件实现医师操作的真实力感知，是医疗机器人操控所共同面临的关键技术，建立基于真实三维立体视觉反馈和力觉反馈的具有高保真度和稳定性的医师遥控操作台是人机交互的重点演技内容。此外，外科手术辅助机器人的人机交互系统，如何让双手忙碌、精神集中的术者方便而又有效地操控机器人是交互技术的难点，如何设计基于视觉、多种操作交互方式的医师与机器人协同手术系统是技术的核心。
（六）机器人安全监控与控制
机器人辅助外科手术的前提是必须保证人与机器人的绝对安全，所以必须研究机器人系统安全性机构、多层自主安全监控、碰撞检测等安全性设计等共性关键技术，建立机器人安全性设计的技术体系与标准。同时需制定机器人安全性准则、测试维护标准化流程、机器人危险等级鉴定标准和安全评估体系，为机器人辅助外科手术的应用推广做好准备。
三、问题及展望
在外科手术中引入机器人系统可以使手术建立在更精确、更稳定和程序化、标准化的基础上，减少人为因素和经验因素的影响，减轻医师劳动强度，实现降低操作难度、提高定位精度和手术质量，以此保证整个治疗的精确实施。
但目前的机器人辅助手术也存在一些问题。由于软组织易发生形变并且医师的操作会改变原有的器官组织形态，使术前三维重建模型与术中患者器官的高精度配准较为困难。此外，目前的医疗机器人操作时缺失力感，尚不能给术者带来触觉功能及高度的手术真实感。应建立高仿真度组织器官物理模型以及基于解剖学人体组织特征的力反馈物理模型，以实现精确的力反馈，大大提高手术的现实感。
此外还需要对机器人多性能指标进行优化设计，以保证机器人满足任务工作空间要求的同时，改善目前医疗机器人的刚度和灵活性问题。为确保患者及医护人员的安全，医疗机器人应该建立更加完善的安全监控系统，对可能发生的异常情况，能够自主或半自主地启动安全防范系统。
针对外科手术的医疗需求，立足于国内外外科手术机器人研究的基础和现状，以机器人技术、计算机技术和控制理论为支撑，利用成熟的医疗机器人共性技术，突破系统专门技术，研制出更多经济实用的智能化外科手术机器人并应用于临床，可进一步提高口腔医学领域数字化水平、加速新型医疗技术的普及推广。
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本文标题：机器人技术在外科辅助手术中的研究与应用
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