黄宇

（重庆金山医疗机器人有限责任公司 重庆市 400038）

随着机器人技术（电机、材料和控制理论等）和医学影像技术（高分辨率、核磁共振成像和三维超声波等）的不断发展，以及近年来人们对临床大型手术的接受度逐步提高，医疗机器人作为辅助大型手术器具也被广泛接受。机器人是指操作各种机械工具、搬运各类材料的人工智能，可以通过专门设计的机器人系统来执行不同形式的自动化任务。医疗机器人作为特殊机器人的组成部分，主要是用来实施精准手术操作的人工智能设备，医护人员可使用手术机器人做出精准的医疗动作，提高手术质量。目前，前者主要用来参与规划并独立完成手术，包括手术切除、缝合在内的几乎涉及整个常规手术的治疗过程，该设备的手术参与度往往最高，由于多数医生对于该设备的认可度较低，因而在实际手术过程中需要较长时间考虑方案；与之相比，后者参与的手术难度较低，设计周期较短，医护人员认可度较高。

1 辅助手术医用机器人发展概况

1.1 研究现状

目前，世界上很多国家已获准开展内镜手术机器人系统及辅助系统研究，其中美日两国在研究规模、研究内容广度、学术深度上均领先于其他国家，我国虽然还处于发展阶段，但是该项研究能够进一步促进临床医疗手段、现代社会中的基层卫生与保健管理水平的提高，进而进一步提高社会效益和间接性经济效益，因此受到了卫生部门的大力资助支持，对于深入推进研究工作起到了很大的促进、引导作用。目前，已有多家研究单位机构研制开发出试验系统样机，部分产品已在动物临床体外试验项目中试用成功，并已有少量部分系统样机商品化。对此，下文对主要相关的产品进行介绍。

1.1.1 EndoSista 系统

由英国Armstrong Projects 公司开发，该系统中设有操作内镜运动的机器人，在满足正常内镜机械运动速度要求的情况下拥有4 个自由度。控制内镜操作的方法之一是对医生进行头部锻炼，通过传感器测量到医生头部所佩戴的头箍内感应线圈发出的电势，并能够以此来控制内镜机器人的旋转运动，从而能够达到精准操作内镜的目的。这套系统于1993年研制成功，如今已经实现商品化。

1.1.2 AESOP 系统

由美国Computer Motion 公司开发，该系统现在已经成为了市场上最为稳定成熟的出口商品。这套机器人系统中早期型号AESOP1000 的驱动方式为脚踏式，通过控制踏板来辅助控制机器人；紧追其后推出的是AESOP2000 型，操控的方式改为语音指令操控，通过操作语音指令来操控机器人；其最新型号AESOP3000还在持续改进中，目前已具有7 个自由度，运动性能得到大幅提升，其以计算机视觉技术为理论基础，增加了内镜运动的主动引导功能。

1.1.3 LARS 系统

由IBM 公司与Jonce Hopkins 大学医学院共同开发，这套系统的直线运动自由度为三维的形式，机械臂被安装固定在了一个平台上，平台中央的位置是一个四轮驱动的小型汽车，可以被锁止，机械臂末端的夹紧机构可以使机械臂夹住内镜做出3 转1 插接的4 个相互解耦动作。目前，该手术系统在应用中有两种控制引导方式，一种是操作者通过专门设计制造的微型控制杆直接进行视觉遥控操作，另一种是系统在医生的参与下自动进行主动控制视觉引导，即医生通过一根固定在手术工具表面上的特制微型手动操作杆（其作用与鼠标器类似）在电视显示器幕上获取放置的手术物体影像（病灶、手术工具等）信息，系统则会通过图像分析的方式主动对其信息进行视觉控制引导，识别出被选中位置的目标物体，并通过移动内镜，使被选中目标物体位于目标视场中央，也可借此进行目标追踪定位等多种辅助功能操作（如影像缩放等）。该图像处理系统同时具有图像的操作功能、存储功能以及快速切换功能等各种强大的辅助图像信息功能。目前，该系统在国内外均已进入到临床试验的阶段，在胆囊、肾脏手术等胆道切除辅助手术中已初步成功开展应用。

除上述系统外，还有由加拿大R.Hurteaau 团队研发的工业机械手A460 内镜操作系统，目前已成功应用在切除胆囊手术中。由德国B.Neisius 所在的研究小组也成功研发出具有6 自由度的内镜操作机器人系统，其操控方式为手控机械臂。此外，西班牙A.Casals、德国Guo_Qingwei 等团队分别研究了内镜操作视觉指导技术，并在各自的辅助内镜操作机器人系统中提出了不同的视觉指导方法，并进行了相关的试验测试[1]。

1.2 发展趋势

如前文所述，在内窥镜手术中，医生通常与手术患者身体分开，绝大多数医生缺乏对患者身体各组织器官的敏感触觉，这样会影响内窥镜操作过程的高度精确性和柔软性。因此，目前的内窥镜大多仅限于简单操作的手术，复杂内窥镜手术的应用较少。如果能够研发出有触觉、有感知手术辅助及内镜远程操作的机器人系统技术，直接采用机器人系统技术代替内镜医生来进行远程手术的操作就可以大幅提高手术的精准性。这样，辅助内镜手术机器人系统的实际应用与范围就可以进一步得到扩展。

目前，内窥镜手术机器人系统应用以及机器人辅助内镜手术应用是医疗器械发展的新趋势。许多医疗技术研究机构陆续开始在这方面研究，开发出一系列具有触觉控制等感知控制功能的机器人系统（Teleoperative Robot）或人工操作机械手，用于内窥镜远程及人工手术操作过程中，这些系统能够远距离自动操作复杂精密的内镜手术[2]。如美国M.C.Cavusoglu 等三人共同研发设计成功的遥控腹腔镜手术机器人系统带有电力反馈功能操纵杆，以及由韩国Dong_SooKwon 等六人联合研发设计成功的遥控腹腔镜手术机器人系统带有触觉反馈控制功能界面等等。在现有内镜手术机器人系统中，可进行实时自动遥传操作的新技术若能够得到进一步发展，那么未来便有望将其广泛应用于临床，进而实现远程控制手术机器人（Telesurgery）实施手术。内镜医生可以通过远程实时控制内镜手术机器人的操作手术方式来实现远程内镜手术操作，远离内镜手术现场。远程手术治疗跨越了普通手术存在的地理空间限制，使术后病人可以随时随地在异地中心接受手术医生提供的远程手术与治疗，还可以实现许多特殊工作场合（如战场、太空等）疾病的安全、及时、专业救护。此外，利用该系统还可以实现医疗资源、技术和信息在全社会的共享[3]。

2 手术医用机器人的优势

（1）能改善操作质量。因为外科医疗机器人能够确保手术操作达到极高精准度，可以完全消除医生手肘的微小抖动，因此能够更准确、更安全、更快捷地将手术精准度提升至亚毫米级（Amm 级），从而改善手术操作质量。

（2）弥补传统的微创伤修复手术带来的缺陷。在微创手术中医生只需在每位患者体表切开约2～3 个直径为0.5～1 厘米的圆形切口，各种手术器械可以通过该切口直接深入至患者腔体内并实施各种手术，减轻每位患者的痛苦，降低每位患者的手术创伤次数和细菌感染致病几率，缩短患者术后康复护理周期，减少患者住院期间的费用支出。在机器人手术领域中，3D 视界技术可以通过监视器传回的可视区域进行手术，克服了以往传统微创机器人手术2D 视界给医生带来的操作不便，让医生们能够如临其境地开展手术。

（3）促进微创手术拓展范围。应用医疗机器人后，许多原本难度较高的手术能够以微创手术的方式，在新设备的支持下进行[4]。

（4）操作模拟进行。应用三维3D 重构系统技术可以直接重建手术患者病灶区的三维3D 结构，利用三维虚拟医疗系统技术和三维外科医疗机器人技术来自动制定和执行患者的手术操作方案，以供患者医师随时使用，极大程度上减少患者的手术时间和费用开支。

（5）远程手术采用网络技术。医疗外科机器人多为主从式操作机器人，由医生操作主手，通过局域网或因特网将所产生的控制信号传递给从手，从手跟随主手的动作进行手术，这样就可以实现异地远程手术。

3 手术医用机器人的基本性能

我国的登记审查制度要求医疗器械产品注册必须按规定完成相应规格的法定型式和检验才能获得产品上市许可登记证书。检验工作内容包括材料性能理化检测、电气机械安全试验检测、电磁材料兼容性能检测鉴定等。厂家应首先通过风险分析表的各种相关检测明确产品功能、其他基本性能以及相关服务内容，并能够及时对使用该产品时的相应风险进行补充说明。

3.1 导航定位手术机器人的基本性能

辅助手术医用机器人的典型基本性能项目如图1所示。

图1：辅助手术医用机器人的典型基本性能项目

导航定位及导航定位辅助手术机器人系统具有的性能应从定位精确度、显示患者在手术操作过程中所发生变化的重要医学信息、机械臂的精确运动以及轨迹的控制、实现手术末端指令执行的辅助工具功能等方面的综合应用来进行分析与考量。保证定位装置的精确度可以同时实现导航跟踪与目标引导定位等多重功能，具体地可以分解为机械臂的位置准确度、位置重复性、跟踪定位装置准确度以及系统准确度等。采集机械臂的末端位置姿态信息准确度，需要同时在实际测试操作过程中引入多种第三方三维坐标姿态精度跟踪测量辅助设备系统（如激光追踪仪或三坐标测量仪）[5]；精确测量位置重复性数据的各项参数量化精度指标，必须通过精确计算方法得出；主要是采用测量系统的系统准确度和重复性的激光追踪仪。系统精度的准确测量，需要厂家事先将各种相应系统测试样机上的各个临床诊断功能部位进行相应准备。

3.2 内镜手术机器人的基本性能

内窥镜手术机器人操作的基本安全性能，应从操作距离的精确度和工作的重复性、操作时姿态位置的相对精确度和动作姿态位置的绝对重复性、操作过程中隐藏的最重要技术信息的显示、主从延迟时间等几个方面进行考量。在跟踪测量设备主从终端进行操作的过程中，点移动距离精确度的计算测量和重复性分析测量的跟踪测试工作，可以通过引导测量设备仪器完成。在测量主端设备参考点精度距离的测试过程中，根据观察平面监视器的视线方向确定为主端设备基准坐标系，保持主端设备参考点在主端设备基准坐标系下的操作点移动点距离；根据平面监视器确定被采集端设备为主从端设备基准坐标系，保持终端参考点在主从端设备基准坐标系下保持精度的终端执行器参考点的移动点距离，并对此距离进行测量精确度的计算。

在设备主从两端操作姿态和固定姿态准确度的检测方法、固定姿态重复性测试等研究项目中，引导设备主端设备分别向其两端或某一相对端的特定设备参考点进行一次运动姿态测量，并依要求始终保持于某一端的固定动作姿态，通过运动姿态测量仪器便可以用来分别测量主端设备参考点在主端设备基准坐标系下端的固定操作姿态准确度和主从端设备在基准坐标系下的末端执行器参考点的固定姿态，并能够对系统姿态进行了精确地计算。

4 手术医用机器人的关键技术分析

微创手术是指在患者体内植入一块细长的内窥镜和微小的手术器械，通过一个小切口进行的外科手术。外科医生可以在手术进行的同时，借助视觉探测装置，观察手术器械4 的位置和手术的进程。它具有创口小，可减轻患者痛苦，术后恢复快等优点，相对于传统的开放性外科手术。微创手术机器人能够在手术过程中减轻医生的体力劳动，同时达到精准手术的目的，使患者在手术过程中能够实现微创伤，少失血，少感染，快速恢复。微创手术机器人系统通常采用的是主从控制模式：当操作者操作主手时，手部运动会带动主手随之运动，主手关节处的传感器可以测量运动信息，通过主从控制算法将主手的运动映射到从手，从手的各个关节被动运动，带动手术器械实现相应的运动，通过主从控制算法，使主手用于操作手术器械的是手术机器人的末端，它的位置和姿势决定了手术的精确程度。

如图2所示为机器人末端位置和姿态的控制方法流程图，通过建立远心点使得手术器械在患者体内动作时围绕一虚拟不动点，通过控制手术器械绕远心点伸缩、旋转的速度即可控制手术器械末端的位置，通过控制靠近手术器械末端的运动轴即可控制手术器械末端的姿态。在远心点建立后，将手术器械与手术机器人的器械座连接，控制手术器械穿过远心点伸入患者体内，由需要完成的手术动作获取手术器械末端的期望笛卡尔速度，通过期望笛卡尔速度的逆运动学求解手术机器人各运动轴的目标速度，然后控制手术机器人的各轴按目标速度运动，实现手术机器人末端也即手术器械末端的位姿的精确控制，提高手术的精确性和安全性。具体步骤包括：

图2：末端位置和姿态的控制方法流程图

步骤S1：建立远心点，拖动手术机器人使其末端移动至所述远心点的上方；所述远心点为供手术器械的末端穿过目标位置转动时所围绕的虚拟不动点；

步骤S2：将所述手术器械连接于所述手术机器人的器械座；

步骤S3：控制所述手术器械穿过远心点；

步骤S4：获取所述手术器械的末端的期望笛卡尔速度，计算所述手术机器人的各轴的目标速度，根据所述目标速度控制所述手术机器人的各轴运动。

这种手术机器人控制方法，不仅适用于目标物为假人时的教学形式的模拟手术，还适用于目标物为真人时的真实手术。当进行真实手术时，目标物为人体，目标位置对应于患者创口。所使用的手术机器人包括至少五个运动轴的第一机械臂、连接所述第一机械臂的直线引导部，所述直线引导部用以带动所述器械座做直线运动，还包括连接所述直线引导部用以驱动所述手术器械动作的第二机械臂。

如图3所示为六轴手术机器人示意图，其中1 为运动轴、2 为直线引导部、3 为器械座、4 为手术器械、5为远心点。该手术机器人包括第一机械臂和第二机械臂，第一机械臂采用具有至少5 个运动轴1 的机器人，本文将以此机器人的第一个运动轴1 处建立的坐标系称为基坐标系，如图4所示为此手术机器人机械坐标系下六个映射轴的示意图，图5所示为此机器人坐标系下运动轴的示意图。第一机械臂的末端连接直线引导部2，第二机械臂能够沿直线引导部2 直线运动且第二机械臂用来控制手术器械4 动作，如第二机械臂包括两个控制手术器械4 开合的电机（相当于一个自由度）。将由第一机械臂动作产生的手术器械4 在远心点5 转动的两个虚拟轴、直线引导部2 的直线轴和第二机械臂用来控制手术器械4 动作的三个运动轴1 看作一个拥有六个自由度的器械机器人，手术器械4 坐标系是以远心点5 为基点建立的坐标系。具体步骤如下：

图3：六轴手术机器人示意图

图4：机械坐标系下六个映射轴的示意图

图5：坐标系下运动轴的示意图

步骤S1：建立远心点5，拖动手术机器人使其末端移动至所述远心点的上方；所述远心点5 为供手术器械4 的末端穿过目标位置转动时所围绕的虚拟不动点；

步骤S2：将所述手术器械4 连接于所述手术机器人的器械座3；

步骤S3：控制所述手术器械4 穿过远心点5；

步骤S4：获取所述手术器械4 的末端的期望笛卡尔速度，计算所述手术机器人的各轴的目标速度，根据所述目标速度控制所述手术机器人的各轴运动。

其中，步骤S1 的作用是建立远心点5，确定手术器械4 围绕旋转过程中与远心点5 重合的重合点，也即与病人创口重合，使得手术器械4 的末端绕该重合点做伸缩旋转动作，提高控制精度。具体操作为，对患者手术部位进行微创开口，开口后将腹腔镜插入微创开口处，拖动手术机器人的运动轴1，使得通用机器人末端的直线引导部2 平行于戳卡、用来安装手术器械4 的器械座3 位于戳卡的正上方。

之后将戳卡与戳卡座连接，当传感器检测到戳卡与戳卡器连接之后，传感器将戳卡和戳卡座连接到位信息发送给手术机器人的控制系统，通过控制器对全部运动轴1 设置的驱动电机的运动范围进行约束。

然后将手术器械4 安装在手术机器人的器械座3，器械座3 与直线引导部2 的直线滑块的固接，当直线滑块运动时，带动器械座3 及手术器械4 作直线运动，用来控制器械俯仰、滚转、偏航和开合动作的电机能够与器械座3 一起随同直线滑块运动。

上述将戳卡和戳卡座连接的具体操作可以为：拖动各运动轴1 运动时，由设置在各运动轴1 处编码器测得的全部运动轴1 的实际角度或位移，拖动器械根据手术机器人的构型参数计算器械座3 的位置。

在戳卡座和戳卡连接时，通过戳卡座的位置和戳卡相对戳卡座的固定偏移距离计算远心点5 的位置，一般来说，远心点5 设置在戳卡的正中央，通过戳卡座的位置偏移戳卡半径的距离，下沉预设深度后即可获取远心点5 的位置。

步骤S3：获取远心点5 的位置后，通过直线引导部2 的直线滑块带动器械座3 和手术器械4 下放，从而使手术器械4穿过远心点5。下放长度可由器械座3位置、器械座3 与戳卡或远心点5 之间间距和手术器械4 的长度以及手术器械4 越过远心点5 伸入患者体内的长度确定。由手术器械4 越过远心点5 伸入患者体内的长度作为手术器械4 末端的旋转半径，手术器械4 与远心点5重合的点作为手术器械4 的重合点，重合点在手术器械4 的末端旋转过程中保持不动，根据患者的手术位置，手术器械4 伸入患者体内的长度不同，远心点5 为虚拟的不动点。

步骤S4：在手术操作中，需要保持重合点不动，通过如上所述的六轴机器人的六个运动轴1 转动保持重合点不动而手术器械4 的末端运动。此时全部运动轴1需要输入一定约束条件来约束运动轴1 的运动。

上述约束条件的获取具体采用：保持重合点不动，按照重合点不动的约束条件计算全部运动轴1 的驱动电机第一约束角范围；然后根据手术器械4 末端的手术空间范围，通过逆向运动学运算得到全部运动轴1 的驱动电机第二约束角范围（此时无需保持重合点不动），然后比对获取第一约束角范围和第二约束角范围的对应重合范围，上述对应重合范围同时满足手术器械4 的重合点不动和手术器械4 末端按照目标速度运动。通过向控制系统输入对应重合范围，控制全部运动轴1 的驱动电机按照对应重合范围转动，满足对手术器械4 末端的位置和姿态的精确控制。

具体来说，计算获取对应重合范围下各驱动电机的目标速度的步骤具体如下：

第一步，在手术器械4 坐标系下运算；

获取手术器械4 末端的期望笛卡尔速度v，此期望笛卡尔速度包括笛卡尔平移速度和笛卡尔旋转速度，换句话说v为一个六维向量；然后获取器械机器人构型也即六个映射轴的构型对应的雅克比矩阵的逆矩阵j-1，j-1与器械机器人的结构参数有关，在器械机器人的相关参数确认时，j-1在运算时为已知。六个映射轴包括重合点处的两个虚拟轴、直线引导部2 的直线轴和第二机械臂控制手术器械4 运动的三个运动轴1；

第二步，在基坐标系下运算；

vx表示重合点的x 方向速度，vy表示重合点y 方向速度，vz表示重合点z 方向速度，ωx表示重合点的绕x 方向旋转速度，ωy表示重合点的绕y 方向旋转速度，ωz表示重合点的绕z 方向旋转速度，分别表示两个虚拟轴的第一关节输出速度，在第一步计算中已经求得，且由于重合点不动，仅发生手术器械4 末端转动，故vx、vy、vz以及ωx均取零。

通过上述运算得到第一机械臂的各运动轴1 在基坐标系下各运动轴1 的第二关节输入速度，控制系统按照第二关节输入速度控制在对应重合范围内控制各驱动电机的转速即可。

当完成手术或者其它原因造成手术中止时，通过直线引导部2 将手术器械4 从戳卡拔出即可，分离戳卡和戳卡座，进而控制系统解除对各运动轴的限制。

5 结论

随着人工智能理念在临床医学中的深入应用，医疗机器人的概念已经突破传统手术模式，从急诊救治到诊断治疗、护理及术后康复都是医疗机器人可能拓展的领域。对此，需要加强医工合作研究、医生间的便捷交流、临床数据的汇总与分享，才能不断攻克技术难点，优化临床适应证，规范临床操作，切实地将医疗机器人的技术服务于患者。