近几年来，医疗机器人与计算机辅助医疗外科技术已经在多学科 交叉领域中兴起，并成为越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题 之一。它是在计算层面扫描图像或核磁共振图像基础上构成的三维医 疗模型，用于医疗外科手术规划和虚拟操作，以期最终实现多传感器 机器人的辅助手术定位和操作。

　　准确性越来越高

　　机器人在三维空间具有高准确性，可以做到人手不能达到的高精 度。医疗外科机器人系统由辅助规划导航和辅助操作子系统组成，在 一个具体的医疗外科机器人系统中这两个子系统既可以并存，也可以 独立存在。手术规划导航以计算机图形学为基础，以CT、MRI、血管 造影等影像学为主要手段，在手术前由计算机通过病人的诊断图像（ CT、MRI、血管造影等）来构造出病体的内部结构三维模型。辅助操 作则以三维模型和手术器械跟踪为基础，辅以相应的软件。医生在外 科手术前后可以得到以下三方面的帮助：

　　第一，在开始手术之前，医生可以浏览病人手术部位的三维重构 图像，从而对该部位及邻近区域的解剖结构有一个明确的认识，然后 进行手术规划，如勾画病灶轮廓，确定手术路径。

　　第二，手术规划完成后，医生可以在三维图像上进行手术的仿真 操作，以确定最佳的手术方案。

　　第三，在手术过程中，医生可以观察到手术器械在人体组织中的 位置和器械周边的组织信息，以确保手术的安全进行。传统的手术方 法由于手术部位不能预见，手术过程亦不能预演，手术的成功与否过 分依赖于外科医生的解剖学知识和手术经验，手术的风险和创伤都比 较大。而在手术规划导航系统上进行手术方案选择时，医生亦可以将 他以往的经验融于其中，使手术方案的可行性得到进一步的提高。辅 助手术操作是在手术规划导航完成后，再将手术方案的技术参数从手 术规划导航系统传送给机器人控制器，通过映射算法将图像空间（计 算机空间）的规划参数变换到机器人操作空间，最后由机器人按预先 确定的手术方案完成指定的辅助手术操作。

　　可靠性越来越强

　　在发达国家已经出现医疗外科手术机器人市场化产品，并在临床 上开展了大量的病例应用研究。美国开发的系列产品已分别用于辅助矫形手术和无框架的立 体定向脑外科手术中。ComputerMotion公司开发的微创手术机器人包 括三个子系统，实现了胸腔、腹腔、心脏等微创手术的遥操作。其中 ZEUS系统由三只置于手术床上的交互性机械臂、计算机控制器及医生 控制台组成。手术时，医生坐在控制台前，观察手术情况的二维或三 维显示，用语音指示控制内窥镜，并通过仿医疗手术器械的操作手柄 来控制手术仪器。其中一只机械臂采用声控的交互方式控制内窥镜， 另外两只机械臂则在医生的控制下操作手术械具。

　　IntuitiveSurgical公司的daVinci系统具有和ZEUS相似的功能， 已获得欧洲CE认证和美国FDA认证，是世界上首套可以正式在医院手 术室腹腔手术中使用的医用机器人手术器械。该系统的构成包括一台 三维视像系统的外科医生控制台、三支可定位及精确地操控内窥镜的 机械臂、内窥镜抓持手等设备。手术中，医生坐在控制台前，通过观 察计算机画面上被放大20倍的病人体内组织的三维影像，操作控制杆 来完成手术，并可模拟医生的手部动作。抓持手是仿照人类手腕设计 的机械手，可转动，能够做抛掷、摆动、紧握等动作。机械手配有特 制的手术器械，可以使医生从1厘米的切口进入病人体内进行手术。

　　我国从20世纪90年代中期开始医疗外科机器人的应用研究，一些 医院相继采用国外的机器人进行微小创伤等系列手术，如心脏动脉搭 桥、瓣膜替换等手术。北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、北京理 工大学等也开展了医疗机器人的研究。比较国内和国外现状可以看出， 国内医疗外科机器人的研究规模和范围小，机器人功能相对简单，能 够执行的手术种类少，临床试验少。在推广方面尚未形成商业化运作 的产品，无法满足不同医院、不同科室的特殊需求。在政策方面，缺 少跨学科研究激励机制，缺乏科研机构、医院和产业界的密切合作， 从而影响了医疗外科机器人的研究开发和产业化。

　　由北京航空航天大学、清华大学和解放军海军总医院合作开发的 机器人辅助无框架脑外科立体定向手术系统开创了国内自主开发医疗 外科机器人的先河。该系统至今已成功完成多例临床手术，获得病人 和医生的认可。脑部的常规手术，先要在病人头上戴一个金属框架， 以起到固定和定位作用。为此，要在病人颅骨上钻4个小孔固定框架， 病人要带着框架到CT室进行扫描，带着框架接受手术，病人很痛苦。 医生仅能根据CT扫描图像凭经验来考虑手术方位，并从框架标尺上读 取靶点的三维坐标，操作繁琐费时。手术时有框架的影响，部分位置 无法下穿刺针，会造成手术死角。

　　使用医疗外科机器人，医生术前只要将4个标志贴在病人的头部， 病人不必戴框架。与常规手术不同的是，医生要用CT扫描出多张脑部 图像，这些图像要输入电脑合成为三维立体图像。基于虚拟现实技术， 在电脑上，医生可以任意选择观察病灶的方向，并可借助键盘和鼠标 操作模拟穿刺针进针方位，在术前就可以进行充分的手术方案分析对 比，最终选择出最佳方案。在手术进行时，病人头部固定后，用机械 臂点取病人头部的4个标志点，进行图像空间与手术操作空间的简易 映射，即在电脑中建立对等的脑部位置三维图形。手术中，医生移动 机械臂，计算机屏幕上便可实时显示出穿刺针的进针方位。同时，机 械臂还是医生的手术操作平台，依靠机械臂末端的导航器与实时显示 在电脑屏幕上的监测图像，医生可以把穿刺针毫厘不差的刺入病灶中 心，病人头部仅留下一个直径2毫米的小孔。

　　创伤越来越小

　　机器人辅助立体定向外科手术系统操作精度高，定位准确，误差 小于1.5毫米。如依靠机器人施行脑手术，病人始终处于清醒状态下， 半小时左右手术即完成。术后3到5天，大部分病人就可走出医院，实 现了微创伤，缩短了病人术后恢复时间，手术成功率高。而常规脑外 科手术则存在术中流血多、易误伤正常脑组织、创口愈合慢及术后感 染等问题，从而易造成神经损伤，甚至危及生命。

　　机器人辅助立体定向外科手术系统可以最大限度利用现有技术， 提高疾病的诊断和手术治疗的质量，拓宽手术治疗的范围，在机器人 的支持下使原来无法进行的手术能够进行。这不仅能实现实现微创伤， 缩短病人术后恢复时间，还可提高手术可视化程度和手术安全性。同 时，这样还能减少手术中使用的放射性设备或药品对医生的伤害，缩 短手术时间，降低医疗成本。

　　人们开展医疗外科机器人方面的研究，不仅会在手术精确定位、 手术最小创伤、手术质量等方面将带来一系列的技术变革，而且将改变常规外科的许多概念， 会对新一代手术设备的开发与研制，对人工假体的设计，对医学的教 学与研究，对临床或家庭的护理及康复工程等方面的发展产生深远的 影响。它还会对智能机器人、计算机虚拟现实、微机械电子学等相关 学科的理论与技术发展产生积极的推动作用。随着这项技术的不断发 展，越来越多的手术禁区将被打破，越来越多的疾病会得到有效的医 治。

　　应用越来越广

　　随着计算机和机器人技术的不断进步，将有越来越多的新技术应 用在医学领域。现在，许多工程技术专家正在致力于虚拟临场手术技 术的研究。虚拟临场手术是机器人辅助外科手术系统与虚拟现实技术 相结合的辅助外科技术。在过去的机器人辅助手术系统中，医疗图像 数据仅仅用来重构病人的解剖结构，而系统没有提供与这些医学数据 直接地、深入地、实时地交互式的测量和操作功能，所以未能充分发 挥这些数据的科研和医疗价值。当虚拟现实技术被引入到医疗领域中 以后，人们找到了一条很有前途的医疗外科手术路径。

　　虚拟现实医疗系统是一种人机接口，它表现为三维画面空间中人 机交互控制的高度灵活性。理想的接口可以通过视觉、力觉、听觉等 方面的传感器对人的语言和姿态做出实时反应，允许使用者不仅和计 算机的画面打交道，还可以和其他使用者打交道。虚拟现实技术通过 将人和传统的计算机接口及现实空间分离开来，使人和计算机数据的 关系发生根本性变化。在虚拟现实系统中，人们可以在任何级别、任 何角度、任何位置来研究三维的虚拟模型。拥有这种系统，不仅能在 手术中起辅助定位和导向的作用，它还可以使医生在虚拟环境下进行 手术规划和仿真，并成为医疗培训和教育的数据库。虚拟临场医疗外 科机器人手术系统允许医生进行异地手术，即手术时，手术者不在手 术现场，手术由手术者在异地通过计算机控制手术现场的机器人完成。 手术器械上的受力情况通过临场感知系统从手术现场传送给手术者。 手术现场的其他情况通过视频监视系统传送给手术者。由于虚拟现实 中先进的力反馈传感技术，医生在异地进行虚拟手术时还可以有真正 工作的感觉。美国、日本的科学家已经率先开展了这方面的临床研究。

　　竞争越来越激烈

　　目前，医疗外科机器人系统的研究和开发引起了西方许多发达国 家如美国、法国、德国、意大利、日本等国政府和学术界的极大关注， 并投入了大量的人力和财力。早在20世纪80年代，西方七国首脑会议 就确定了国际先进机器人研究计划（IARP），至今已召开过多届成员 国医疗外科机器人研讨会。美国国防部已经立项，开展基于遥控操作 的外科研究，用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。法国国家科 学研究中心开展了医疗外科仿真手术、规划和导引系统的研究工作。 欧共体也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研 究发展的项目之一。以医疗外科机器人系统的研究为基础发展起来的 医疗电子设备的产值在过去几年以每年10％的速度增长，大于工业方 面的增长速度。人们预计，医用机器人在今后五年内还会以每年20％ ～40％的速度增长。各国政府不仅希望医疗外科机器人系统的研究能 为疾病的治疗带来方便，产生良好的社会效益，更希望医疗外科机器 人的系统研究能生成一个新的经济增长点，获得良好的经济效益。

　　在学术界，医疗外科手术机器人是近十年来的研究热点，发达国 家一流大学和研究机构纷纷建立研究中心和专门实验室开展手术机器 人的理论和应用研究。美国开发了“SteadyHand”系统，用于眼科显 微外科学的手持主动式装置，提高手术操作的精度，消除医生操作颤 抖对手术的影响。麻省理工学院的AkhilJ.Madhani等人针对现有MIS 手术器械灵巧性不足的问题，开发了一种用于医疗缝合的机器。UCBe rkeley开发了带有力反馈和立体触觉的遥操作微创手术系统。JHU、M IT、CMU的研究人员合作建立了工程研究中心，致力于新型计算方法、 界面技术和计算机集成手术系统的研究。在欧洲，英国Imperial大学 研究前列腺和膝关节手术机器人，法国TIMC－IMAG研究小组开发心包 穿刺机器人系统，德国开发了用于内诊镜手术的模拟训练，意大利研 究了微创器械前端操作器的设计。在日本，K.B·Shimoga等研制了用 于微创神经外科手术的带触觉的机器人系统，东京大学研制了腹腔镜 手术中主从机器人系统以及脑外科活检机器人，名古屋大学主要研究 微创手术设备的触觉反馈。

　　计算机技术和机器人技术在外科手术的应用，引起了一场新的革 命。正如该领域中的著名学者美国R·M·Tay－lor教授的评价，机器 人和计算机技术对于外科手术的影响将如同计算机集成制造对于产品 制造的影响一样广泛和深远。 。

2001年12月30日

摘自《健康报》

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