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手术机器人的前世今生

来源：晰数塔互联网快讯时间：2023年03月17日 00:08

本文来自微信公众号：世界科学（ID：World-Science），作者：赵琛、曹煜桢、徐凯（上海交通大学机械与动力工程学院），题图来自：视觉中国

手术机器人是集临床医学、机械学、生物力学、计算机科学等学科于一体的集成操作系统。得益于机械控制、视觉成像、光电技术、人工智能等技术的发展，手术机器人在医疗领域的应用推动手术向智能化、精准化、微创化方向发展。在提升手术效果、改善医生工作环境的同时，手术机器人技术可以进一步减轻病人创伤，实现更加安全可靠、重复性高的手术治疗。

虽称为“机器人”，但手术机器人距离真正代替医生、独立进行手术的智能时代还有很长的发展路程，目前仍处于辅助医生完成手术的半自动阶段，针对不同病理而形态各异的手术机器人只取代或增强医生的手部动作，操作决策还需要医生的判断。因此在数十年发展经验的积累下，探索以提高患者获益为最终目标、融合更加完善智能技术的手术机器人具有很大的挑战和重要的意义。

一、手术机器人的起源与发展

更微创的手术有利于减少大创口给病人带来的痛苦、加快术后恢复速度，是促使手术机器人出现的重要原因。同时，机器人精准的定位和动作，使其在需要精细操作的手术场景中发挥重要作用，因而已在普外科、神经外科、泌尿外科、骨科、妇科等多个领域得到应用。

按照手术目标脏器类型，手术机器人可分为硬组织机器人和软组织机器人。针对硬组织，主要包括神经外科和骨科手术机器人；针对软组织，可分为腔镜手术机器人、经自然腔道手术机器人、血管介入手术机器人和经皮穿刺手术机器人。

图1 手术机器人分类

手术机器人发展初期主要集中在工业机器人到手术机器人的应用探索，以神经外科和骨科为主要手术场景，利用工业机器人定位精度高的优势实现简单的手术操作。

1985年郭易山（Yik San Kwoh，音译）等采用PUMA 200工业机器人完成的神经外科脑部手术，是机器人技术在手术场景中的首次应用，从而拉开了手术机器人发展的序幕。

1988年探针（Probot）系统完成了手术机器人辅助下的首例前列腺手术。

1992年集成外科系统公司设计的机器人医生（Robodoc）系统完成了全髋关节置换术，并获得首个美国食品药品管理局（FDA）认证。

在神经外科手术中，手术机器人实现了微创手术替代传统开颅手术的重大转变。定位问题是手术中的关键，传统神经外科手术使用立体定向手术工具，需要患者在清醒时佩戴头架，过程十分痛苦，同时手术耗时长、视野存在死角。手术机器人利用机械臂实现精准定位，可应用在癫痫、帕金森病、脑肿瘤和脑出血等治疗中。

传统骨科手术中的关节置换手术、脊柱手术、骨科创伤手术具有精度差、截骨误差高、植钉不良率高等临床痛点，手术机器人的使用可提高手术精确度和稳定性、减少神经血管的损伤、避免瘫痪等严重并发症。

随着显微手术和腹腔镜手术的实现，手术机器人发展进入突破阶段，面对临床需求实现了更加灵活精巧的动作、更高的手术精度，同时采用遥操作大幅减轻了医生的疲劳程度。显微手术与发展初期的神经手术最大的区别在于前者不再通过植入电极进行刺激，而是对神经直接操作实现治疗。从开放手术到腔镜手术再到经自然腔道手术，手术方式逐渐向微创化发展。

1993年美国电脑动作公司开发的伊索（Aesop）机器人完成首例腹腔镜手术，在此基础上研制的Zeus系统采用了主从遥操作技术。

1997年直觉外科公司研制的达芬奇手术系统完成首次人体试验，并于2000年获得FDA批准，在保证患者创伤面积小的基础上，提高了手术操作精准性和灵活性，使机器人技术在手术场景中的应用得到更加广泛的关注。

针对腔镜手术中器械运动受限、器械通过人体切口的“跷跷板效应”、术野差、医生容易疲劳等临床痛点，达芬奇手术机器人通过植入腕部关节增加腔内灵活性，采用遥操作主从运动实现直观操作，并通过高清双目成像形成直观的手眼协调循环。

达芬奇手术机器人在商业化上的巨大成功，推动手术机器人进入多元化发展阶段，在关节手术、脊椎手术、单孔腔镜手术、多孔腔镜手术、血管介入手术、神经外科手术等场景中取得进一步发展。

二、典型手术机器人的技术浅析

神经外科手术机器人

1985年，美国长滩纪念医学中心放射科郭易山团队使用工业机器人PUMA 200进行了脑部立体定向活检，利用工业机器人重复定位精度高的特点引导穿刺针进行活检。但因病人头部相对于机器人基座难以进行配准，手术系统的总体精度仍不太高。

1991年，智慧女神（Minerva）是最早能提供实时影像引导的系统，可以自动进行皮肤切开、颅骨钻孔和仪器操作，并利用术中CT扫描克服脑组织移位问题。该系统虽然提高了精确性，但辐射和操作安全性存疑，后续即停止研究。

1997年，神经伙伴（NeuroMate）是最早获得FDA批准的用于临床的神经外科手术机器人，机器人采用五自由度、低速设计，可实现术中有框架和无框架定位。

按照操作方式，神经外科手术机器人可分为定位型和操作型。定位型手术机器人例如英国的NeuroMate、美国的探路者（Pathfinder）和罗莎一号大脑（ROSA ONE Brain）。

操作型手术机器人需要对神经进行精细调整，对机器人系统的要求远高于定位型。目前已有大量定位型手术机器人实现产业化，但操作型机器人绝大多数还处于实验室阶段，甚至可能需要克服在核磁环境下精准操作的驱动、传感、控制和无菌化问题。神经手臂（NeuroArm）是首台具备颅内操作功能的神经外科手术机器人系统，系统对磁共振成像无干扰。

感知与定位是神经外科手术机器人的关键技术，包括病灶、局部和全局的感知与定位。病灶的感知与定位通过多模态三维可视化影像处理技术实现，包括电子计算机断层扫描（CT）、核磁共振成像（MRI）、正电子发射计算机断层成像（PET）、弥散张量成像（DTI）技术，多用于术前进行更加安全有效的手术规划。

局部感知与定位通过配准实现术中的病灶定位，可采用植入、粘贴标记或3D结构光/表面重建的方式。手术环境的全局感知基于智能避障和姿态补偿技术实现，为未来自动化手术奠定基础。

骨科手术机器人

19世纪及以前，骨科手术还处于依赖医生经验的时代。20世纪中后叶，随着影像技术的发展，影像引导医生可以进行更加精准的骨科手术。到了21世纪，机器人在手术中的应用使骨科手术进入了机器人智能辅助时代。

最早实现技术和商业应用的骨科手术机器人分为被动型、半主动型和主动型三种。主动型机器人使用机器人自主完成手术过程，包括1986年美国的机器人医生和1997年德国的卡斯帕（Caspar）。该类手术机器人出现的时间最早，但因安全性、手术效率、准备时间等问题，此类系统无法得到推广与应用。

因此，目前骨科手术以半主动型和被动型机器人为主。半主动型机器人由医生与机器人共同操作；被动型机器人本身不进行手术操作，医生具有完全的主动控制权。

1992年伦敦帝国理工学院开发了首个半主动型骨科机器人，首次引入“触觉感知”理念，并将术前规划信息映射到手术操作区域，由机器人提供操作区域约束，医生通过拖拽实现骨骼成形操作。

骨科手术机器人典型的系统组成中，导航定位系统采用光学定位、术中CT、磁导航等方式，进行经济适用的配准定位；手术规划系统实现智能化建模与规划；机械臂执行系统通过满足临床需求的高性能硬件与运动控制，实现机械臂的操作。

在脊柱外科手术中，目前手术机器人主要针对的临床术式为椎弓根钉固定术，采用医学影像规划实现空间精准定位，机械臂自主完成或导引医生完成植入通道钻制操作。针对创伤骨科手术，前期的研究主要应用于长肢骨骨折复位手术，但由于骨折手术分型的多样性，创伤骨科机器人目前还没有实现广泛临床应用与产品化推广。

血管介入手术机器人

血管介入手术是在医学影像导航辅助下，操作导管、导丝等介入器械在患者血管中按术前规划路径前进，精准到达病灶位置并进行治疗。

传统血管介入手术中，医生在透视成像的辅助下，通过在血管内递送、旋转导丝导管完成血管内壁支架搭建、血栓溶解和药物放置。但长期暴露在辐射中，对医生健康造成严重威胁，同时铅防护围裙负重大，手部疲劳、颤抖等因素对操作精度带来较大影响。因此血管介入手术机器人通过辅助医生远程控制导管、导丝进行手术，可避免X射线暴露，实现更高的操作精度和更稳定的手术结果。

早期的血管介入手术机器人基于磁导航系统。

2004年，美国立体定位（Stereotaxis）公司设计了第一代磁导航系统Telstar，但系统需要特殊的导丝、导管，无法进行球囊、支架操作，同时操作距离和力量有限。

2006年以色列RNS血管介入手术机器人系统采用了电机械系统，通过设计导丝导航器推送和旋转导丝，有效提高介入手术精确度。

在RNS基础上，2012年美国医疗机器人公司Corindus开发了CorPath200机器人系统，并由此改进了更精准的CorPath GRX血管介入手术机器人。美国汉森公司开发的Sensi X1采用了可弯曲的主动导管，Sensi X2系统在此基础上增加了导管尖端力反馈。

血管介入手术机器人根据手术部位可分为冠脉介入、神经介入和外周介入。在此基础上发展的泛血管介入手术机器人可同时开展多种术式，避免手术过程中导管、导丝的更换，因此无需定制专用手术器械，可减少医院采购费用。

血管介入手术机器人的关键技术中，图像导航系统通过血管成像判断介入器械位置；导管设备采用主动驱动导管以适应不同血管和手术步骤；机械臂结构需具有高柔顺性和灵活性，精准快速操作导管；添加力反馈系统可以将血管接触力反馈于操作端，从而减少血管破裂的风险。

经皮穿刺手术机器人

传统经皮穿刺手术中，医生在医学影像引导下，采用穿刺针或导管，经过人体皮肤，直接到达患部对病灶进行诊断或治疗。扫描与穿刺同步进行或异步进行的方式都具有缺乏实时准确的术区信息感知、呼吸作用导致难以刺中靶点、对医生技术依赖性大等临床痛点。

经皮穿刺手术机器人的关键技术中，术前医学成像采用CT、MRI等技术采集病变部位医学图像。路径规划和导航定位系统是另一关键技术，可基于光学系统、电磁系统实现定位导航。

在穿刺过程中，针对软组织的受力变形、穿刺针的弯曲变形以及穿刺针受力导致的穿刺路径变化，需进行合适的变形补偿。此外，需克服手术过程中的不自主体动，胸部、腹部穿刺时，靶点位置会随呼吸运动而改变，人体疼痛反应也会产生不自主的肌肉收缩进而影响体表定位。

穿刺活检手术机器人在乳房活检、肺部活检、前列腺活检等手术中都有广泛应用。与消融相结合，经皮穿刺手术机器人也可应用于肿瘤消融。

腔镜手术机器人

腔镜手术机器人是目前产生商业价值最大的一类手术机器人，应用范围广泛，主要应用于泌尿外科、妇科、普外科以及心胸外科等领域。以达芬奇系统举例，腔镜手术机器人通常由医生控制台、机械臂及影像系统组成。

腔镜手术机器人可分为多孔腔镜手术机器人及单孔腔镜手术机器人。多孔机器人采用多个切口完成手术治疗，操作方便，手术视野广。单孔机器人仅采用单个切口，创伤小、恢复快，在高度聚焦的狭窄空间进行手术更有优势。

目前多孔机器人的市场被美国完全垄断，单孔机器人中达芬奇SP手术系统占领先地位。

多孔腔镜手术机器人构型相对统一，由体外机械臂和长杆状手术工具组成。手术工具末端通过增加腕关节以提高操作灵活性，常见的有滑轮钢丝机构、连杆驱动机构、连续体机构、窄带变形机构等，通过它们实现腕关节的运动。体外机械臂满足远心运动约束，使得直杆手术工具始终通过病患身体上的一个切口，不会对病患腹腔壁造成牵拉。

可实现远心运动的机构有平行四边形机构、同步带等效平行四边形机构、平行四边形和并联机构、球面连杆机构、纯并联机构、空间导轨机构等。机器人系统一般配有3D腹腔镜，通过选配体感操作和力反馈系统可提高操作准确度。

单孔腔镜手术机器人的研制更为困难，腔镜直径是设计的关键，通过单个切口需放置一个视觉模块和2~3支手术臂，视觉模块须集成照明功能，手术臂须有足够的强度和工作空间。

图2 国内外腔镜手术机器人举例

根据驱动形式不同，单孔腔镜手术机器人有多种实现方式。钢丝驱动型系统中，2014年美国直觉外科公司开始研发的Vinci SP系统，采用了直径25mm腔镜。但钢丝驱动的多关节手术工具因难以放入足够的滑轮，钢丝不耐磨损，绷断风险高。电机内置型系统在手术工具内部植入微电机，为避免高频高压电对电机运动控制的影响，需在电机旁进行电磁防护，手术臂粗大，成本昂贵。

为替代钢丝驱动，日本早稻田大学和韩国大邱庆北科学技术院（DGIST）研究所分别研制了连杆驱动型系统，但系统运动灵活性不足。连续体机构型系统基于对偶连续体机构，通过机构整体变形实现手术执行臂运动，运动灵活。连续体同时承担结构和变形传动的作用，可以实现更加紧凑的设计。2014年上海交通大学徐凯教授团队研制的直径12mm腔镜SURS系统，实现了世界最小皮肤切口。

腔镜手术机器人拥有巨大且快速增长的市场。美国直觉外科公司的达芬奇手术系统占据行业绝对垄断地位，此外美国TransEnterix公司的Senhance、韩国Meere公司Revo-i、美敦力Hugo系统等产品均已获批上市。在单孔腔镜手术机器人赛道，2007年世界首套单孔腔镜手术机器人IREP系统在美国哥大立项，2015年美国直觉外科公司的达芬奇SP单孔系统基本完成研发定型。

国内公司中，北京术锐技术有限公司基于连续体蛇形臂技术研发的单孔腔镜手术机器人可实现精准的切割和缝合，于2021年完成了亚洲首台纯单孔机器人前列腺癌根治术，在相同手术效果下，与达芬奇多孔系统相比切口数量更少、面积更小。目前，术锐公司与多家临床中心开展了普外科、妇科等单孔机器人手术临床试验，在自主研发、替代进口上具有重大意义。

经自然腔道内镜手术机器人

经自然腔道内镜手术（NOTES）通过人体与外界自然相通的腔道，以内镜进入腹腔、纵隔或胸腔等进行探查、活检以及各种手术操作，具有痛苦少、体表无疤痕、创伤小、恢复快的优势。但同时NOTES机器人存在视野有限、无触觉感知的问题。

NOTES机器人通常包括1个摄像头、2只机械臂，末端工具一般为夹钳和电刀。操作臂直径、末端灵活度和夹钳的加持力是NOTES机器人设计的关键技术。

1994年，威尔克（Wilk）首次提出了经人体自然腔道实施手术治疗的设想。

2007年，普渡大学的艾博特（Abbott）等人开发了ViaCath系统，内镜和操作臂通过胃肠道到达体内。

2015年，医疗机器人（Medrobotics）公司开发的Flex机器人经口进入咽部和下咽部进行手术，是第一个被FDA批准用于经自然腔道手术的机器人，但因到达部位受限，适应症有限。

强生Monarch机器人结合nCLE-成像可进行腹部小结节检查，采用外径3.5mm的超细导管可到达细支气管。Anovo机器人可在经肚脐腹腔镜辅助下，进行经阴道的良性外科手术，并于2021年2月获得FDA许可。

三、手术机器人的未来与展望

“眼”更亮：随着表面重建、荧光和多光谱成像、共聚焦显微内镜、增强现实等技术的发展，手术机器人可以给医生提供更加清晰、直观的手术视野，辅助医生更好地完成手术。

“手”更准：通过增加夹紧力感知系统、操作力感知系统和多感知信息人机交互控制技术，医生使用手术机器人的过程中可实现更精准的控制。

“脑”更聪：借助人工智能技术，实现手术自动化是手术机器人的未来发展趋势。2022年1月，机器人首次在猪的软组织上独立完成腹腔镜小肠吻合术，推动手术自动化的进一步发展。手术自动化从“无自动化”到“完全自动化”可划分为0~5级，目前大多数手术机器人仍处于机器人辅助阶段，手术自动化发展存在巨大挑战和广阔发展前景。

“体”更微：微型化是手术机器人的另一个发展趋势，胶囊机器人、微纳机器人的发展将进一步推动手术无创化。

手术方式、微创工具和技术的创新之路从未停止。未来更加智能、高效、精准的手术机器人将极大地降低患者痛苦，进一步提高手术产出，降低手术风险，为人民追求的美好生活作出更大的贡献、提供更坚强的保障。

本文来自微信公众号：世界科学（ID：World-Science），作者：赵琛、曹煜桢、徐凯（上海交通大学机械与动力工程学院），本文根据笔者在上海市科学技术普及志愿者协会主办的“海上科普论坛”上的报告撰写而成