手術機器人作為高技術含量、綜合性的醫療器械，在近30年間受到科學界和產業界的廣泛關注。其有機融合了機電一體化、運動控制、計算機視覺等多學科的基本理論與關鍵技術，可以為醫生在手術影像定位導航和手術靈巧操作等方面提供幫助，并可改善患者術后恢復效果，展現出巨大的臨床價值。在眾多手術機器人中，美國Intuitive Surgical公司的da Vinci手術機器人，自獲得FDA批準上市以來，便占據了較大的市場份額，壟斷了機器人輔助腔鏡手術的市場。我國也將大力發展手術機器人作為戰略性新興產業的重點發展方向之一，并將其寫入《戰略性新興產業重點產品和服務指導目錄（2016版）》和《機器人產業發展規劃（2016-2020年）》。

　　在骨科和神外手術中，手術機器人更著重于術部的定位導航。機器人根據醫學影像建立三維模型，并和實際病灶、手術工具進行了坐標系配準，輔助醫生開展導航手術治療。腔鏡類手術機器人則更注重實時的精細操控：醫生在主控端操作力位交互設備，以遙操作的方式控制從動端的手術機械臂施展精準的手術操作。腔鏡類手術機器人可以覆蓋腹腔、胸腔等多部位的適應癥，但相應的技術壁壘更高，因而更具有挑戰性。根據在患者體表皮膚切口數量由多到少，腔鏡類手術機器人可分為多孔腔鏡手術機器人、單孔腔鏡手術機器人和不需要創孔的經自然腔道內窺鏡手術機器人。在這三種范式中，1個視覺模塊和2或3支手術工具經腹壁開孔或專用鞘管送入患者體腔內。其中視覺模塊可以提供照明和影像導引；手術工具實現靈巧操作，且需具備一定負載能力。

　　手術機器人的核心科學技術

　　手術機器人作為高端智能診療裝備，可以滿足不同的術部、術式和多樣化臨床需求，主要囊括了如下核心科學技術。

圖1 ?Da Vinci SP單孔手術機器人系統

     資料來源：Intuitive Surgical公司官網。

　　手術機器人的機構設計

　　多孔腔鏡手術機器人的設計

　　在多孔腔鏡手術中，“從動端手術機器人”往往由“體外機械臂”和“靈巧手術工具”構成：若干直桿狀的手術工具經過不同的皮膚切口伸入并達到病灶，通過體外機械臂的擺動使得手術工具繞著入腹切口在病人體內運動；手術工具的末端有靈巧的腕狀結構以提供運動靈活性。

　　為避免對皮膚的撕扯，這些手術工具需要繞著入腹點做“遠心運動”。體外機械臂具體有被動約束、機械約束和協同約束這三類實現“遠心運動”的途徑。被動約束是指體外機械臂的遠心機構為欠驅動系統，手術工具可被動地適應皮膚切口，典型代表有美國的Zeus系統和天津大學團隊的妙手系統等。這類機器人雖然可有效防止切口處皮膚的撕扯，但可能因術中病患腹腔壁切口的隨氣腹壓力變化或呼吸運動變化而發生變化，影響控制精度。機械約束一般通過等效的平行四邊形機構或者并聯機構構造空間的不動點，例如da Vinci Si/Xi系統和韓國Meere公司的Revo-I系統等。該種約束的可靠性高，但是結構較復雜，占用空間較大。以Medtronic和德國宇航中心共同研發的MiroSurge系統，英國Cambridge Medical Robotics公司的Versius系統等為代表的協同控制則是通過算法層面協同控制體外機械臂的各個關節以滿足不撕扯皮膚切口的約束要求。

　　靈巧腕狀結構的設計主要有串聯關節、并聯關節和連續體關節三類。其代表性設計分別有da Vinci系統的EndoWrist串聯關節設計、韓國科學技術研究院的并聯關節設計和多倫多大學或上海交通大學團隊的連續體關節設計等。

　　單孔腔鏡手術機器人的設計

　　在單孔腔鏡手術中，視覺模塊和手術工具均從同一個創口伸入患者體腔。由于創傷面更小，為了實現類似于多孔腔鏡手術機器人的運動能力，單孔手術器械的布置難度更高。手術工具按照驅動類型不同可分為電機內置型、連桿驅動型、鋼絲驅動型和連續體機構型四種。

　　美國Virtual Incision公司的RASD系統等采用電機內置型驅動方式，將伺服電機內嵌在機器人的手術工具臂體中。雖然這類設計可以實現模塊化的關節布置，但是電機和減速機構會造成較大的皮膚切口和難以消毒的設計隱患。以早稻田大學團隊的SPS系統等為代表的連桿驅動型單孔腔鏡機器人則受限于機構尺寸難以縮小，以及空間連桿固有的運動干涉問題。以da Vinci SP系統為代表的鋼絲驅動型設計有較多系統采納，以十余股鋼絲繩穿過手術工具內部的小孔牽拉實現關節的彎轉運動，但會產生鋼絲繩疲勞磨損的問題。采用超彈性鎳鈦合金細桿協同推拉，以實現手術工具柔順運動的連續體機構型驅動，憑借其獨特的模塊化緊湊結構的特點也逐漸被學界和業界接受。采用該驅動方式的北京術銳的分體模塊化腔鏡手術機器人系統目前已擁有較成熟有效的實現方案。

　　經自然腔道腔鏡手術機器人的設計

　　這類手術機器人需要通過患者狹長的自然腔道到達病灶處，因此對手術工具的外徑尺寸、負載能力、末端靈巧性都提出了極高要求，目前與產業化尚有距離。其驅動方案包含電機內置、鋼絲驅動和連續體機構三類。

　　手術機器人的傳感設計

　　手術工具的力感知

　　手術機器人的力感知可作為力反饋的依據提升手術的安全性。手術中的力感知包括受力感知和觸覺柔順感知兩個方面，具有外體感知和本體感知兩種途徑。外體感知通常在手術工具的末端集成基于電阻、光纖等的力學傳感器；而本體感知則在手術機器人位于患者體外的驅動關節處安裝傳感器，通過力學模型推導手術工具末端所受的力學信息。雖然本體感知的精度會略遜于外體感知，但本體感知減小了手術工具的機構復雜度、降低了其消毒和制造的難度。

　　三維重建與圖像識別

　　三維重建是通過內窺鏡影像或者結構光等手段在手術過程中生成組織和器官表面的輪廓，為醫生提供術場信息。由于使用結構光涉及額外的術場成像設備，當前的研究熱點較多集中在基于內窺鏡影像的SLAM技術上，即通過返回的實時視野圖像，重建術場環境并同時更新內窺鏡鏡頭的位姿。

　　視野中的手術器械和組織經過圖像識別和切割，有助于醫生對于術部環境的感知。手術器械可通過其顏色、幾何特征、紋理特征或者額外附著的標記物做出識別。然而體內器官和組織往往不具有明顯的區別性特征，因而可以通過注射熒光顯影劑，并用近紅外光照射，獲得熒光影像；也有研究采用隨機森林、支持向量機、卷積網絡等基于人工智能的方法對組織進行辨識。

　　定位導航技術

　　在骨科和神外手術中，通過術前和術中獲取病灶基準位置可智能規劃切割和植入的路徑，有利于手術標準化展開、避免術中多余的X光輻射等。當前的定位技術依據原理可分為機械型、超聲型、光學型和電磁型。其中諸如定位框架的機械定位技術較成熟但對患者的侵入性較強；超聲型有著穩定性和精度差的缺陷；光學型雖使用靈巧但易受遮擋；電磁型則受限于工作區域易受電磁干擾。

　　手術機器人的控制模式

　　主從遙操作范式

　　為滿足醫生的操作需求、改善手術機器人的工作空間和靈巧度，從動端手術機器人與主控端的力位交互設備往往具有不同的機械拓撲結構，也因此需要額外建立關節配置空間和工作空間的映射。在工作空間內，手術機器人的目標位置和姿態控制指令的下發可采用增量式或絕對式控制。對機器人從工作空間到關節空間的求解算法則可歸納為解析算法、迭代算法、基于圖形學的啟發式算法和機器學習類人工智能算法等。

　　主控端力位交互設備

　　力位交互設備可以將采集到的醫生手部位姿信息下發給從動端，并向操作醫生輸出一定的力旋量，使其擁有仿佛在親手操作手術的“透明化”感覺。在空間中，位置和姿態信息與力和力矩信息均在六維空間內表達，因此根據維度的不同，全球眾多科研機構和公司開發了多種產品。目前較為成熟的通用化產品大多出自Force Dimension和3D Systems公司。

　　協同控制

　　有研究指出基于算法的協同控制可以有效提供位置和力學信息，有助于提高手術的安全性、精準度和效率。目前主要有兩類協同控制：指引型控制和禁止型控制。在指引型控制中，算法輔助醫生操控手術工具沿著設定的路徑或者組織表面運動；在禁止型控制中，手術工具被阻隔在給定的區域外，以避免對人體組織的破壞。目前協同控制已經被用來改善諸如遞針、縫合、打結等基本操作。

　　我國手術機器人行業發展現狀

　　腔鏡外科手術機器人

　　雖然我國腔鏡手術機器人行業起步稍晚，但目前在關鍵技術上已具有豐富研究成果。山東威高的“妙手”是國內較早的多孔腔鏡手術機器人，其技術依托天津大學團隊的開創性工作，并于2014年率先開展了臨床研究。其后蘇州康多依托哈爾濱工業大學團隊，研發了對標da Vinci系統的腔鏡手術機器人。如圖所示，北京術銳依托上海交通大學團隊，采用連續體機構驅動方案實現27自由度的驅控，研發出世界上第一臺分體模塊化且同時兼容單孔和多孔手術的腔鏡手術機器人系統。此外杭州術創、重慶金山、上海微創、深圳精峰等醫療科技公司也紛紛開展了研究，有望早日實現常規的臨床應用。

圖2 ?北京術銳單多孔兼容的分體模塊化手術機器人系統

　　資料來源：北京術銳公司公布的資料

　　骨外科手術機器人

　　1992年，美國RoboDoc骨科手術機器人便已完成世界首例機器人輔助髖關節置換術，其后國外出現的有代表性的骨科手術機器人系統有美國MAKO Surgical公司用于關節置換的RIO系統和法國Medtech公司用于脊柱手術的ROSA Spine系統等。近年來國內亦有諸多骨科手術機器人研發團隊在脊柱和關節手術上開展研發和臨床實驗，諸如北京天智航、嘉奧科技、杭州三壇醫療、蘇州鑄正、深圳鑫君特、深圳骨圣元化、杭州鍵嘉等。截止到2020年12月，北京天智航的天璣手術機器人已累計完成超過10000例臨床手術。

　　神經外科手術機器人

　　早在1985年，PUMA機械臂即率先被應用于神經外科手術，以提高定位和操作精度。國外較為成熟的有英國Renishaw公司的NeuroMate系統和美國Zimmer Biomet公司的Rosa One Brain系統等。國內在該領域市場也占據一定份額，目前使用較為廣泛的系統有華志醫療的CAS-R-2無框架腦立體定向儀、北京柏惠維康的Remebot神經外科手術導航定位系統和華科精準的Sino Robot神經外科手術機器人等。這些系統均可較好地根據術前規劃開展精細手術操作，提高了手術的療效，受到了患者的廣泛歡迎。

　　挑戰與展望

　　手術機器人下一階段的研發重點主要包括：進一步實現單孔和多孔腔鏡手術機器人平臺的模塊化、通用化、小型化設計；研究基于人工智能的自動化手術的操作模式；探索醫生基于增強現實和多模態成像的手術場景浸入式感知；結合5G技術開展相關遠程實時操作進而打破地域限制，實現醫療資源共享等方面。

　　手術機器人系統的集成難度高，其發展亦需緊密結合產業鏈上游伺服電機、減速機和控制器等核心零部件的迭代升級，以及各類研發人才的聚集和醫院臨床應用的示范性支持。目前我國在精密零部件制造方面對德、美、日的產品具有一定的依賴性，但是在系統的開發和集成上已經具備諸多原創性的科技成果。此外，機器人手術在醫院滲透率方面尚待提高，手術機器人的成本、維護和耗材費還可降低，以便滿足廣大人民對高端醫療日益增長的需求。

　　大力發展中國自己的原創手術機器人高端智能醫療裝備，可促成代表“高端醫療裝備、中國自主智造”的標志性產品，提供更安全、創傷更小、操作更靈活的手術機器人系統，乃至進入全球市場競爭，降低市場上進口機器人手術的高昂價格，讓更多百姓受益于先進機器人技術帶來的醫療品質提升，在創造巨大經濟效益的同時，必將產生豐厚的社會效益和深遠的產業意義。

　　本文選自王寶亭 耿鴻武主編的《醫療器械藍皮書：中國醫療器械行業發展報告（2021）》

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(責任編輯：譙英固)