手術機器人是集臨床醫學、機械學、生物力學、計算機科學等學科于一體的內建作業系統。得益于機械控制、視覺成像、光電技術、人工智能等技術的發展，手術機器人在醫療領域的應用推動手術向智能化、精準化、微創化方向發展。在提升手術效果、改善醫生工作環境的同時，手術機器人技術可以進一步減輕病人創傷，實作更加安全可靠、重複性高的手術治療。
雖稱為“機器人”，但手術機器人距離真正代替醫生、獨立進行手術的智能時代還有很長的發展路程，目前仍處于輔助醫生完成手術的半自動階段，針對不同病理而形态各異的手術機器人隻取代或增強醫生的手部動作，操作決策還需要醫生的判斷。是以在數十年發展經驗的積累下，探索以提高患者獲益為最終目标、融合更加完善智能技術的手術機器人具有很大的挑戰和重要的意義 。
手術機器人的起源與發展
更微創的手術有利于減少大創口給病人帶來的痛苦、加快術後恢複速度，是促使手術機器人出現的重要原因。同時，機器人精準的定位和動作，使其在需要精細操作的手術場景中發揮重要作用，因而已在普外科、神經外科、泌尿外科、骨科、婦科等多個領域得到應用。按照手術目标髒器類型，手術機器人可分為硬組織機器人和軟組織機器人。針對硬組織，主要包括神經外科和骨科手術機器人；針對軟組織，可分為腔鏡手術機器人、經自然腔道手術機器人、血管介入手術機器人和經皮穿刺手術機器人。
圖1 手術機器人分類
手術機器人發展初期主要集中在工業機器人到手術機器人的應用探索，以神經外科和骨科為主要手術場景，利用工業機器人定位精度高的優勢實作簡單的手術操作。
1985年郭易山（Yik San Kwoh，音譯）等采用PUMA 200工業機器人完成的神經外科腦部手術，是機器人技術在手術場景中的首次應用，進而拉開了手術機器人發展的序幕。
1988年探針（Probot）系統完成了手術機器人輔助下的首例前列腺手術。
1992年內建外科系統公司設計的機器人醫生（Robodoc）系統完成了全髋關節置換術，并獲得首個美國食品藥品管理局（FDA）認證。
在神經外科手術中，手術機器人實作了微創手術替代傳統開顱手術的重大轉變。定位問題是手術中的關鍵，傳統神經外科手術使用立體定向手術工具，需要患者在清醒時佩戴頭架，過程十分痛苦，同時手術耗時長、視野存在死角。手術機器人利用機械臂實作精準定位，可應用在癫痫、帕金森病、腦惡性良性腫瘤和腦出血等治療中。
傳統骨科手術中的關節置換手術、脊柱手術、骨科創傷手術具有精度差、截骨誤差高、植釘不良率高等臨床痛點，手術機器人的使用可提高手術精确度和穩定性、減少神經血管的損傷、避免癱瘓等嚴重并發症。
随着顯微手術和腹腔鏡手術的實作，手術機器人發展進入突破階段，面對臨床需求實作了更加靈活精巧的動作、更高的手術精度，同時采用遙操作大幅減輕了醫生的疲勞程度。顯微手術與發展初期的神經手術最大的差別在于前者不再通過植入電極進行刺激，而是對神經直接操作實作治療。從開放手術到腔鏡手術再到經自然腔道手術，手術方式逐漸向微創化發展。
1993年美國電腦動作公司開發的伊索（Aesop）機器人完成首例腹腔鏡手術，在此基礎上研制的Zeus系統采用了主從遙操作技術。
1997年直覺外科公司研制的達芬奇手術系統完成首次人體試驗，并于2000年獲得FDA準許，在保證患者創傷面積小的基礎上，提高了手術操作精準性和靈活性，使機器人技術在手術場景中的應用得到更加廣泛的關注。
針對腔鏡手術中器械運動受限、器械通過人體切口的“跷跷闆效應”、術野差、醫生容易疲勞等臨床痛點，達芬奇手術機器人通過植入腕部關節增加腔内靈活性，采用遙操作主從運動實作直覺操作，并通過高清雙目成像形成直覺的手眼協調循環。
達芬奇手術機器人在商業化上的巨大成功，推動手術機器人進入多元化發展階段，在關節手術、脊椎手術、單孔腔鏡手術、多孔腔鏡手術、血管介入手術、神經外科手術等場景中取得進一步發展。
典型手術機器人的技術淺析
神經外科手術機器人
1985年，美國長灘紀念醫學中心放射科郭易山團隊使用工業機器人PUMA 200進行了腦部立體定向活檢，利用工業機器人重複定位精度高的特點引導穿刺針進行活檢。但因病人頭部相對于機器人基座難以進行配準，手術系統的總體精度仍不太高。
1991年，智慧女神（Minerva）是最早能提供實時影像引導的系統，可以自動進行皮膚切開、顱骨鑽孔和儀器操作，并利用術中CT掃描克服腦組織移位問題。該系統雖然提高了精确性，但輻射和操作安全性存疑，後續即停止研究。
1997年，神經夥伴（NeuroMate）是最早獲得FDA準許的用于臨床的神經外科手術機器人，機器人采用五自由度、低速設計，可實作術中有架構和無架構定位。
按照操作方式，神經外科手術機器人可分為定位型和操作型。定位型手術機器人例如英國的NeuroMate、美國的探路者（Pathfinder）和羅莎一号大腦（ROSA ONE Brain）。
操作型手術機器人需要對神經進行精細調整，對機器人系統的要求遠高于定位型。目前已有大量定位型手術機器人實作産業化，但操作型機器人絕大多數還處于實驗室階段，甚至可能需要克服在核磁環境下精準操作的驅動、傳感、控制和無菌化問題。神經手臂（NeuroArm）是首台具備顱内操作功能的神經外科手術機器人系統，系統對磁共振成像無幹擾。
感覺與定位是神經外科手術機器人的關鍵技術，包括病竈、局部和全局的感覺與定位。病竈的感覺與定位通過多模态三維可視化影像處理技術實作，包括電子計算機斷層掃描（CT）、核磁共振成像（MRI）、正電子發射計算機斷層成像（PET）、彌散張量成像（DTI）技術，多用于術前進行更加安全有效的手術規劃。
局部感覺與定位通過配準實作術中的病竈定位，可采用植入、粘貼标記或3D結構光/表面重建的方式。手術環境的全局感覺基于智能避障和姿态補償技術實作，為未來自動化手術奠定基礎。
骨科手術機器人
19世紀及以前，骨科手術還處于依賴醫生經驗的時代。20世紀中後葉，随着影像技術的發展，影像引導醫生可以進行更加精準的骨科手術。到了21世紀，機器人在手術中的應用使骨科手術進入了機器人智能輔助時代。
最早實作技術和商業應用的骨科手術機器人分為被動型、半主動型和主動型三種。主動型機器人使用機器人自主完成手術過程，包括1986年美國的機器人醫生和1997年德國的卡斯帕（Caspar）。該類手術機器人出現的時間最早，但因安全性、手術效率、準備時間等問題，此類系統無法得到推廣與應用。
是以，目前骨科手術以半主動型和被動型機器人為主。半主動型機器人由醫生與機器人共同操作；被動型機器人本身不進行手術操作，醫生具有完全的主動控制權。
1992年倫敦帝國理工學院開發了首個半主動型骨科機器人，首次引入“觸覺感覺”理念，并将術前規劃資訊映射到手術操作區域，由機器人提供操作區域限制，醫生通過拖拽實作骨骼成形操作。
骨科手術機器人典型的系統組成中，導航定位系統采用光學定位、術中CT、磁導航等方式，進行經濟适用的配準定位；手術規劃系統實作智能化模組化與規劃；機械臂執行系統通過滿足臨床需求的高性能硬體與運動控制，實作機械臂的操作。
在脊柱外科手術中，目前手術機器人主要針對的臨床術式為椎弓根釘固定術，采用醫學影像規劃實作空間精準定位，機械臂自主完成或導引醫生完成植入通道鑽制操作。針對創傷骨科手術，前期的研究主要應用于長肢骨骨折複位手術，但由于骨折手術分型的多樣性，創傷骨科機器人目前還沒有實作廣泛臨床應用與産品化推廣。
血管介入手術機器人
血管介入手術是在醫學影像導航輔助下，操作導管、導絲等介入器械在患者血管中按術前規劃路徑前進，精準到達病竈位置并進行治療。
傳統血管介入手術中，醫生在透視成像的輔助下，通過在血管内遞送、旋轉導絲導管完成血管内壁支架搭建、血栓溶解和藥物放置。但長期暴露在輻射中，對醫生健康造成嚴重威脅，同時鉛防護圍裙負重大，手部疲勞、顫抖等因素對操作精度帶來較大影響。是以血管介入手術機器人通過輔助醫生遠端控制導管、導絲進行手術，可避免X射線暴露，實作更高的操作精度和更穩定的手術結果。
早期的血管介入手術機器人基于磁導航系統。
2004年，美國立體定位（Stereotaxis）公司設計了第一代磁導航系統Telstar，但系統需要特殊的導絲、導管，無法進行球囊、支架操作，同時操作距離和力量有限。
2006年以色列RNS血管介入手術機器人系統采用了電機械系統，通過設計導絲導航器推送和旋轉導絲，有效提高介入手術精确度。
在RNS基礎上，2012年美國醫療機器人公司Corindus開發了CorPath200機器人系統，并由此改進了更精準的CorPath GRX血管介入手術機器人。美國漢森公司開發的Sensi X1采用了可彎曲的主動導管，Sensi X2系統在此基礎上增加了導管尖端力回報。
血管介入手術機器人根據手術部位可分為冠脈介入、神經介入和外周介入。在此基礎上發展的泛血管介入手術機器人可同時開展多種術式，避免手術過程中導管、導絲的更換，是以無需定制專用手術器械，可減少醫院采購費用。
血管介入手術機器人的關鍵技術中，圖像導航系統通過血管成像判斷介入器械位置；導管裝置采用主動驅動導管以适應不同血管和手術步驟；機械臂結構需具有高柔順性和靈活性，精準快速操作導管；添加力回報系統可以将血管接觸力回報于操作端，進而減少血管破裂的風險。
經皮穿刺手術機器人
傳統經皮穿刺手術中，醫生在醫學影像引導下，采用穿刺針或導管，經過人體皮膚，直接到達患部對病竈進行診斷或治療。掃描與穿刺同步進行或異步進行的方式都具有缺乏實時準确的術區資訊感覺、呼吸作用導緻難以刺中靶點、對醫生技術依賴性大等臨床痛點。
經皮穿刺手術機器人的關鍵技術中，術前醫學成像采用CT、MRI等技術采集病變部位醫學圖像。路徑規劃和導航定位系統是另一關鍵技術，可基于光學系統、電磁系統實作定位導航。
在穿刺過程中，針對軟組織的受力變形、穿刺針的彎曲變形以及穿刺針受力導緻的穿刺路徑變化，需進行合适的變形補償。此外，需克服手術過程中的不自主體動，胸部、腹部穿刺時，靶點位置會随呼吸運動而改變，人體疼痛反應也會産生不自主的肌肉收縮進而影響體表定位。
穿刺活檢手術機器人在乳房活檢、肺部活檢、前列腺活檢等手術中都有廣泛應用。與消融相結合，經皮穿刺手術機器人也可應用于惡性良性腫瘤消融。
腔鏡手術機器人
腔鏡手術機器人是目前産生商業價值最大的一類手術機器人，應用範圍廣泛，主要應用于泌尿外科、婦科、普外科以及心胸外科等領域。以達芬奇系統舉例，腔鏡手術機器人通常由醫生控制台、機械臂及影像系統組成。
腔鏡手術機器人可分為多孔腔鏡手術機器人及單孔腔鏡手術機器人。多孔機器人采用多個切口完成手術治療，操作友善，手術視野廣。單孔機器人僅采用單個切口，創傷小、恢複快，在高度聚焦的狹窄空間進行手術更有優勢。
目前多孔機器人的市場被美國完全壟斷，單孔機器人中達芬奇SP手術系統占領先地位。
多孔腔鏡手術機器人構型相對統一，由體外機械臂和長杆狀手術工具組成。手術工具末端通過增加腕關節以提高操作靈活性，常見的有滑輪鋼絲機構、連杆驅動機構、連續體機構、窄帶變形機構等，通過它們實作腕關節的運動。體外機械臂滿足遠心運動限制，使得直杆手術工具始終通過病患身體上的一個切口，不會對病患腹腔壁造成牽拉。
可實作遠心運動的機構有平行四邊形機構、同步帶等效平行四邊形機構、平行四邊形和并聯機構、球面連杆機構、純并聯機構、空間導軌機構等。機器人系統一般配有3D腹腔鏡，通過選配體感操作和力回報系統可提高操作準确度。
單孔腔鏡手術機器人的研制更為困難，腔鏡直徑是設計的關鍵，通過單個切口需放置一個視覺子產品和2~3支手術臂，視覺子產品須內建照明功能，手術臂須有足夠的強度和工作空間。
圖2 國内外腔鏡手術機器人舉例
根據驅動形式不同，單孔腔鏡手術機器人有多種實作方式。鋼絲驅動型系統中，2014年美國直覺外科公司開始研發的Vinci SP系統，采用了直徑25mm腔鏡。但鋼絲驅動的多關節手術工具因難以放入足夠的滑輪，鋼絲不耐磨損，繃斷風險高。電機内置型系統在手術工具内部植入微電機，為避免高頻高壓電對電機運動控制的影響，需在電機旁進行電磁防護，手術臂粗大，成本昂貴。
為替代鋼絲驅動，日本早稻田大學和南韓大邱慶北科學技術院（DGIST）研究所分别研制了連杆驅動型系統，但系統運動靈活性不足。連續體機構型系統基于對偶連續體機構，通過機構整體變形實作手術執行臂運動，運動靈活。連續體同時承擔結構和變形傳動的作用，可以實作更加緊湊的設計。2014年上海交通大學徐凱教授團隊研制的直徑12mm腔鏡SURS系統，實作了世界最小皮膚切口。
腔鏡手術機器人擁有巨大且快速增長的市場。美直覺外科公司的達芬奇手術系統占據行業絕對壟斷地位，此外美國TransEnterix公司的Senhance、南韓Meere公司Revo-i、美敦力Hugo系統等産品均已獲批上市。在單孔腔鏡手術機器人賽道，2007年世界首套單孔腔鏡手術機器人IREP系統在美國哥大立項，2015年美國直覺外科公司的達芬奇SP單孔系統基本完成研發定型。
國内公司中，北京術銳技術有限公司基于連續體蛇形臂技術研發的單孔腔鏡手術機器人可實作精準的切割和縫合，于2021年完成了亞洲首台純單孔機器人前列腺癌根治術，在相同手術效果下，與達芬奇多孔系統相比切口數量更少、面積更小。目前，術銳公司與多家臨床中心開展了普外科、婦科等單孔機器人手術臨床試驗，在自主研發、替代進口上具有重大意義。
經自然腔道内鏡手術機器人
經自然腔道内鏡手術（NOTES）通過人體與外界自然相通的腔道，以内鏡進入腹腔、縱隔或胸腔等進行探查、活檢以及各種手術操作，具有痛苦少、體表無疤痕、創傷小、恢複快的優勢。但同時NOTES機器人存在視野有限、無觸覺感覺的問題。
NOTES機器人通常包括1個攝像頭、2隻機械臂，末端工具一般為夾鉗和電刀。操作臂直徑、末端靈活度和夾鉗的加持力是NOTES機器人設計的關鍵技術。
1994年，威爾克（Wilk）首次提出了經人體自然腔道實施手術治療的設想。
2007年，普渡大學的艾博特（Abbott）等人開發了ViaCath系統，内鏡和操作臂通過胃腸道到達體内。
2015年，醫療機器人（Medrobotics）公司開發的Flex機器人經口進入咽部和下咽部進行手術，是第一個被FDA準許用于經自然腔道手術的機器人，但因到達部位受限，适應證有限。
強生Monarch機器人結合nCLE-成像可進行腹部小結節檢查，采用外徑3.5mm的超細導管可到達細支氣管。Anovo機器人可在經肚臍腹腔鏡輔助下，進行經陰道的良性外科手術，并于2021年2月獲得FDA許可。
手術機器人的未來與展望
“眼”更亮 随着表面重建、熒光和多光譜成像、共聚焦顯微内鏡、增強現實等技術的發展，手術機器人可以給醫生提供更加清晰、直覺的手術視野，輔助醫生更好地完成手術。
“手”更準 通過增加夾緊力感覺系統、操作力感覺系統和多感覺資訊人機互動控制技術，醫生使用手術機器人的過程中可實作更精準的控制。
“腦”更聰 借助人工智能技術，實作手術自動化是手術機器人的未來發展趨勢。2022年1月，機器人首次在豬的軟組織上獨立完成腹腔鏡小腸吻合術，推動手術自動化的進一步發展。手術自動化從“無自動化”到“完全自動化”可劃分為0~5級，目前大多數手術機器人仍處于機器人輔助階段，手術自動化發展存在巨大挑戰和廣闊發展前景。
“體”更微 微型化是手術機器人的另一個發展趨勢，膠囊機器人、微納機器人的發展将進一步推動手術無創化。
手術方式、微創工具和技術的創新之路從未停止。未來更加智能、高效、精準的手術機器人将極大地降低患者痛苦，進一步提高手術産出，降低手術風險，為人民追求的美好生活作出更大的貢獻、提供更堅強的保障。
本文根據筆者在上海市科學技術普及志願者協會主辦的“海上科普論壇”上的報告撰寫而成
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