深圳市人工智能與機器人研究院醫(yī)療健康機器人中心 孫正隆 韓龍

　　從上世紀 80 年代開始，隨著內(nèi)鏡技術(shù)和腔鏡手術(shù)技術(shù)的 不斷發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)迎來了微創(chuàng)手術(shù)的時代。也正是從那時 起，機器人技術(shù)開始被應(yīng)用在輔助診療的方案中，從 1988 年 第一例關(guān)于 CT 引導(dǎo)下機器人輔助神經(jīng)腫瘤活檢術(shù)的報道，到 1992 年 IBM 研發(fā)的 ROBODOC 機器人用于髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)， 再到 80 年代末 90 年代初，受到 NASA 和 DAPRA 項目支持 的遠程操作腹腔鏡手術(shù)機器人的雛形。經(jīng)過 20 年的科學(xué)研發(fā) 和技術(shù)積累，從本世紀初起，手術(shù)機器人逐步完成了從實驗室 研發(fā)到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的最后一公里，也使得手術(shù)機器人這一名詞逐 漸走入大眾視野，進入到臨床實際應(yīng)用中。

　　彼時的手術(shù)機器人以剛性結(jié)構(gòu)為主，應(yīng)用類工業(yè)機械臂 的技術(shù)為醫(yī)生提供更為精準的立體定位、精細操作和靈巧操作。以腹腔鏡手術(shù)機器人為例，它不但可以提供給醫(yī)生高清可 縮放的 3D 影像，以及更舒適的操作模式，同時也將醫(yī)生從傳 統(tǒng)的反人類直覺的手術(shù)操作流程中解放出來，使得醫(yī)生能更 為方便地進行手術(shù)操作。美國的直覺外科手術(shù)公司(Intuitive Surgical)于 2000 年率先搶得先機，其研發(fā)的達芬奇手術(shù)機 器人取得了 FDA 認證，并在開始幾年的掙扎之后找到了泌尿 市場的切入點。從此開始， 在腹腔鏡手術(shù)機器人領(lǐng)域一騎絕塵， 獨領(lǐng)風(fēng)騷至今。同期投入研發(fā)的神經(jīng)外科手術(shù)機器人、骨科手 術(shù)機器人也紛紛投入到產(chǎn)業(yè)浪潮中，涌現(xiàn)了 ROSA、MAKO 等一眾手術(shù)機器人品牌。

　　在這個過程中，我們看到一方面臨床需求刺激了機器人 技術(shù)的進步，另一方面機器人輔助手術(shù)的發(fā)展也進一步推動了微創(chuàng)手術(shù)術(shù)式的不斷創(chuàng)新和突破，使得一些依靠傳統(tǒng)手術(shù)工具 很難做到的術(shù)式變?yōu)榭赡?。?2006 年起，美國消化道科醫(yī)生 Anthony Kalloo，Swanstrom 等人率先提出了經(jīng)自然腔道手 術(shù)這一新概念，也促使了新一輪的柔性手術(shù)機器人技術(shù)革新。 目前國外已有拿到臨床應(yīng)用注冊證的此類產(chǎn)品，比如 Auris Health 的 Monarch(后被 Johnson & Johnson 收購) 以及 Intuitive Surgical 的 ION 系統(tǒng)。

　　近年來，國內(nèi)在高端醫(yī)療器械，尤其是手術(shù)機器人產(chǎn)業(yè) 上的投入和成果也是有目共睹，進入了關(guān)鍵技術(shù)和部件國產(chǎn)化 的快車道。而柔性手術(shù)機器人作為未來的技術(shù)趨勢，勢必對該 項產(chǎn)業(yè)發(fā)展也有著至關(guān)重要的戰(zhàn)略意義。2021 年國家通過的 “十四五規(guī)劃”中也明確提到了要突破腔鏡手術(shù)機器人等高端醫(yī)療器械的核心技術(shù)。第二十三屆中國科協(xié)年會上也發(fā)布了 10 個重大科學(xué)問題、工程技術(shù)難題和產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題，其中就 包括“如何開發(fā)融合軟體機器人與智能影控集成技術(shù)的腔道手 術(shù)機器人產(chǎn)品”。

　　在柔性手術(shù)機器人的技術(shù)中，環(huán)境較為特殊，需要解決手 術(shù)通道狹長彎曲、手術(shù)操作空間小、末端靈活性和剛性矛盾等 痛點。雖然在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、體外定位等細分領(lǐng)域都可沿用剛 性手術(shù)機器人研發(fā)中的技術(shù)積累，相對較為成熟，主要聚焦在 工程實現(xiàn)的問題上，但在柔性手術(shù)機器人中仍面臨柔性驅(qū)控操 控性能不佳、術(shù)中交互感知缺失、以及腔道內(nèi)術(shù)中導(dǎo)航失準等 核心關(guān)鍵技術(shù)問題。

　　柔性驅(qū)控操控性能不佳：在柔性手術(shù)機器人中，柔性不僅 僅是指末端執(zhí)行器的靈活性，也體現(xiàn)在機器人需要通過彎曲狹 長的自然腔道(如支氣管、消化道、輸尿管等)到達病灶。受 限于絲線驅(qū)動機構(gòu)本身的缺陷，彎曲路徑造成傳動鞘管與線之 間的非線性摩擦，使得傳動過程中存在遲滯效應(yīng)，尤其是在改 變運動方向的時候會有明顯的滯后。這使得主從操作中的隨動 時常會出現(xiàn)明顯的延遲，與剛性腹腔鏡手術(shù)機器人直覺化的操 作在性能上還有較大的差距。同時這一現(xiàn)象也限制了柔性系統(tǒng) 的控制帶寬。

　　交互感知缺失：術(shù)中力感知反饋一直是手術(shù)機器人臨床應(yīng) 用中比較有爭議的議題，有些醫(yī)生認為直覺化的操作足以彌補 通過機器人界面控制失去直接接觸力感知的問題;而且如何在 末端執(zhí)行器采取行之有效且抗干擾、能消毒的力 / 觸覺感知方 案仍處于實驗階段，技術(shù)不夠成熟。但在柔性驅(qū)動中，受到傳 動背隙的影響，末端的環(huán)境交互是無法直接地反射到驅(qū)動端上來;換句話說，交互感知的缺失導(dǎo)致反向驅(qū)動無法很好的被監(jiān) 測，從而影響操作的性能。因此，柔性末端交互力感知在柔性 機器人介入過程中就顯得尤為重要，并非可有可無。

　　腔道內(nèi)術(shù)中導(dǎo)航失準：術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)依賴于術(shù)前 CT/MRI 掃描信息。通過掃描數(shù)據(jù)三維重建腔道模型，之后在術(shù)中應(yīng)用 不同感知技術(shù)(如視覺、電磁感應(yīng)等)實現(xiàn)實時配準定位導(dǎo) 航，但受到呼吸、心跳等動態(tài)生理運動會使得術(shù)中的腔道 - 病 灶位置會產(chǎn)生相對位移。例如在經(jīng)支氣管介入手術(shù)中，由于術(shù)前CT靜態(tài)掃描時肺充盈程度不同，病灶目標的術(shù)中實際位置 較三維重建模型中的位置有出入，這也被稱為 CTBD(CT To Body Divergence)。如何高效地對這類誤差進行補償，避免 過多的使用 C 臂等實時影像確認，降低醫(yī)患所受的輻射，這也 是一個有待解決的技術(shù)瓶頸。

　　除此之外，柔性手術(shù)機器人也面臨著一些普遍的設(shè)計與性能間的矛盾。例如小尺寸與多自由度、高靈活性、大負載等需求之間的平衡取舍。這些都是需要在針對不同的具體術(shù)式進行對應(yīng)的優(yōu)化，因此一個柔性手術(shù)機器實現(xiàn)很難達到跟達芬奇手 術(shù)機器人一樣的通用性，但柔性驅(qū)動的底層邏輯和共性技術(shù)始 終是相通的。

　　對照如前所述的剛性手術(shù)機器人發(fā)展歷程，從 2006 年經(jīng) 自然腔道手術(shù)概念的興起開始計算，在經(jīng)過 20 年的技術(shù)迭代和沉淀，我們有理由相信在未來的三到五年內(nèi)，柔性手術(shù)機器人市場會迎來爆發(fā)性增長。只要國內(nèi)手術(shù)機器人學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)界 持續(xù)在柔性手術(shù)機器人這個點上發(fā)力，屆時一定可以實現(xiàn)關(guān)鍵 部件和技術(shù)國產(chǎn)化，并借助統(tǒng)一大市場的優(yōu)勢，加速產(chǎn)品與技 術(shù)迭代，一定可以縮短甚至逆轉(zhuǎn)與發(fā)達國家在高端醫(yī)療器械技 術(shù)上的差距，成為柔性手術(shù)機器人領(lǐng)域的技術(shù)強國。

圖 1 手術(shù)機器人的發(fā)展簡史