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外科手术机器人现状及发展趋势【图】

2012-5-23 14:45:22      点击:

近年来兴起的手术机器人技术在微创的基础上,将手术的精度和可行性提升到了一个全新的高度。可以预见,微创外科的21世纪将是机器人手术的世纪。目前,国外手术机器人已在心胸外科、泌尿外科、妇科和腹部外科等领域逐渐普及,国内也有数家医疗单位陆续引进了代表当今手术机器人最高水平的达芬奇(da Vinci)手术机器人,国内装机数量已达到18台。

外科手术机器人的发展历史

1985年,美国加州放射医学中心使用一种能够自主定位的立体定向装置(Puma 560)来完成脑组织活检,由此机器人技术在外科领域的应用开始广泛开展。但是,早期的机器人系统完全基于工业机器人系统,其实用性受到了很大的限制,无法进行更为精细的操作。

1991年,美国ISS公司推出Robodoc用于进行膝关节外科置换术。它是一种主动式机器人系统,包括一台用于术前规划的计算机和1台安装抓持、切削装置的5轴机械臂,以及一个机器人操控平台,通过编程独立完成操作。Computer motion公司于1994年研发了内镜光学定位外科机器人系统“Aesop”。1999年初,由两家美国公司(Computer Motion和Intuitive Surgical)先后独立研制的宙斯(Zeus)和达芬奇(Da Vinci)两套手术机器人系统,分别经欧洲CE认证,次年获得美国FDA批准,标志着手术机器人正式在世界范围内应用于临床。

目前国际上有代表性的医用机器人产品包括:NeuroMate、Robodoc、Zeus、Da Vinci、PinTrace、Spine Assist等。而达芬奇手术机器人是目前世界上最成功也是应用最广泛的手术机器人系统。

达芬奇手术机器人由3个部分组成:手术医师的操作主控台、机械臂、摄像臂和手术器械组成的位于手术床边的移动平台、三维成像视频影像平台。实施手术时外科医生不与病人直接接触,通过三维视觉系统和动作定标系统操作控制。医生手臂、手腕和手指的动作通过传感器在计算机中记录下来,并同步翻译给机器手臂,机械手臂的前端安装各种特殊的手术器械模拟外科医生的技术动作,完成手术操作。目前,达芬奇机器人手术系统已发展到第4代,并于2014年4月1日被美国药监局批准投入使用。

图1:达芬奇机器人系统的三大组成部分

图2:达芬奇机器人近百种“手”中的一种,8毫米大小,七自由度,各关节之间能90度活动。

外科手术机器人的发展趋势

医疗外科机器人是一个多学科的交叉研究领域,涉及电子通讯技术、机器人的机构设计、机器人控制技术、计算机图像处理、虚拟现实技术、医学和微创手术方法等。针对目前手术机器人应用中的一些不足和局限性,开发具有触觉反馈功能的操作系统和操作器械、机器人远程手术的研究及推广应用以及开发出新型的小型化、模块化系统,降低系统造价和维护成本,是当前外科手术机器人发展的主要趋势。

将触觉信息整合到外科机器人中是目前对于手术机器人的重要研究之一。对于医生而言,触觉感知是其手术经验的重要组成部分,但是现有的外科手术机器人系统中的导航系统,或者内窥镜只会通过显示设备反馈给医生图像方面的信息。所以在机器人手术中,通过力反馈技术使医生获得在传统手术中具有的触觉感,可以用来补偿目前医生完全凭借视觉信息来进行的判断和操作。另外,通过对手术器械的位置和产生的力进行更精确的检测和控制,使机器人能够进行精确的微小运动,从而实施某些精细的手术操作。

机器人远程手术的研究也是业界关注的一大重点。2001年,纽约和法国的斯特拉斯堡就通过机器人完成了一次远程手术。这台具有开创性特质的手术被成为“林德伯格手术”。远程手术的关键技术(外科手术虚拟训练器、Haptics、VR/AR技术、力传感和反馈技术、遥操作技术、网络应用技术),与虚拟现实技术结合较为紧密。作为一项方兴未艾的尖端医疗技术,远程手术系统的出现将对现代医学工程的发展产生深远的影响。

目前的手术机器人体积偏大,占用了手术室较大的空间且费用昂贵。外科手术机器人的产业化程度还很低,市场还没有被充分挖掘,而市场规模的相对狭小也是造成目前该类设备价格高昂的原因之一。如何开发出更加小型化、模块化、易用性更强的手术机器人系统,以提高手术机器人的普及率,造福更多的患者,也是业界亟待解决的重要课题之一。