深圳市人工智能與機(jī)器人研究院醫(yī)療健康機(jī)器人中心 孫正隆 韓龍

　　從上世紀(jì) 80 年代開(kāi)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(lái)了微創(chuàng)手術(shù)的時(shí)代。也正是從那時(shí) 起，機(jī)器人技術(shù)開(kāi)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(jī)器人輔助神經(jīng)腫瘤活檢術(shù)的報(bào)道，到 1992 年 IBM 研發(fā)的 ROBODOC 機(jī)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(xiàng)目支持 的遠(yuǎn)程操作腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人的雛形。經(jīng)過(guò) 20 年的科學(xué)研發(fā) 和技術(shù)積累，從本世紀(jì)初起，手術(shù)機(jī)器人逐步完成了從實(shí)驗(yàn)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(jī)器人這一名詞逐 漸走入大眾視野，進(jìn)入到臨床實(shí)際應(yīng)用中。

　　彼時(shí)的手術(shù)機(jī)器人以剛性結(jié)構(gòu)為主，應(yīng)用類(lèi)工業(yè)機(jī)械臂 的技術(shù)為醫(yī)生提供更為精準(zhǔn)的立體定位、精細(xì)操作和靈巧操作。以腹腔鏡手術(shù)機(jī)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(shí)也將醫(yī)生從傳 統(tǒng)的反人類(lèi)直覺(jué)的手術(shù)操作流程中解放出來(lái)，使得醫(yī)生能更 為方便地進(jìn)行手術(shù)操作。美國(guó)的直覺(jué)外科手術(shù)公司(Intuitive Surgical)于 2000 年率先搶得先機(jī)，其研發(fā)的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī) 器人取得了 FDA 認(rèn)證，并在開(kāi)始幾年的掙扎之后找到了泌尿 市場(chǎng)的切入點(diǎn)。從此開(kāi)始， 在腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域一騎絕塵， 獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷至今。同期投入研發(fā)的神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人、骨科手 術(shù)機(jī)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(jī)器人品牌。

　　在這個(gè)過(guò)程中，我們看到一方面臨床需求刺激了機(jī)器人 技術(shù)的進(jìn)步，另一方面機(jī)器人輔助手術(shù)的發(fā)展也進(jìn)一步推動(dòng)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(guó)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(jī)器人技術(shù)革新。 目前國(guó)外已有拿到臨床應(yīng)用注冊(cè)證的此類(lèi)產(chǎn)品，比如 Auris Health 的 Monarch(后被 Johnson & Johnson 收購(gòu)) 以及 Intuitive Surgical 的 ION 系統(tǒng)。

　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在高端醫(yī)療器械，尤其是手術(shù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè) 上的投入和成果也是有目共睹，進(jìn)入了關(guān)鍵技術(shù)和部件國(guó)產(chǎn)化 的快車(chē)道。而柔性手術(shù)機(jī)器人作為未來(lái)的技術(shù)趨勢(shì)，勢(shì)必對(duì)該 項(xiàng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展也有著至關(guān)重要的戰(zhàn)略意義。2021 年國(guó)家通過(guò)的 “十四五規(guī)劃”中也明確提到了要突破腔鏡手術(shù)機(jī)器人等高端醫(yī)療器械的核心技術(shù)。第二十三屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)上也發(fā)布了 10 個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題、工程技術(shù)難題和產(chǎn)業(yè)技術(shù)問(wèn)題，其中就 包括“如何開(kāi)發(fā)融合軟體機(jī)器人與智能影控集成技術(shù)的腔道手 術(shù)機(jī)器人產(chǎn)品”。

　　在柔性手術(shù)機(jī)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(zhǎng)彎曲、手術(shù)操作空間小、末端靈活性和剛性矛盾等 痛點(diǎn)。雖然在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、體外定位等細(xì)分領(lǐng)域都可沿用剛 性手術(shù)機(jī)器人研發(fā)中的技術(shù)積累，相對(duì)較為成熟，主要聚焦在 工程實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題上，但在柔性手術(shù)機(jī)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(zhǔn)等 核心關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

　　柔性驅(qū)控操控性能不佳：在柔性手術(shù)機(jī)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(jī)器人需要通過(guò)彎曲狹 長(zhǎng)的自然腔道(如支氣管、消化道、輸尿管等)到達(dá)病灶。受 限于絲線(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)本身的缺陷，彎曲路徑造成傳動(dòng)鞘管與線(xiàn)之 間的非線(xiàn)性摩擦，使得傳動(dòng)過(guò)程中存在遲滯效應(yīng)，尤其是在改 變運(yùn)動(dòng)方向的時(shí)候會(huì)有明顯的滯后。這使得主從操作中的隨動(dòng) 時(shí)常會(huì)出現(xiàn)明顯的延遲，與剛性腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人直覺(jué)化的操 作在性能上還有較大的差距。同時(shí)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(jī)器人臨床應(yīng) 用中比較有爭(zhēng)議的議題，有些醫(yī)生認(rèn)為直覺(jué)化的操作足以彌補(bǔ) 通過(guò)機(jī)器人界面控制失去直接接觸力感知的問(wèn)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(jué)感知方 案仍處于實(shí)驗(yàn)階段，技術(shù)不夠成熟。但在柔性驅(qū)動(dòng)中，受到傳 動(dòng)背隙的影響，末端的環(huán)境交互是無(wú)法直接地反射到驅(qū)動(dòng)端上來(lái);換句話(huà)說(shuō)，交互感知的缺失導(dǎo)致反向驅(qū)動(dòng)無(wú)法很好的被監(jiān) 測(cè)，從而影響操作的性能。因此，柔性末端交互力感知在柔性 機(jī)器人介入過(guò)程中就顯得尤為重要，并非可有可無(wú)。

　　腔道內(nèi)術(shù)中導(dǎo)航失準(zhǔn)：術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)依賴(lài)于術(shù)前 CT/MRI 掃描信息。通過(guò)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(jué)、電磁感應(yīng)等)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)配準(zhǔn)定位導(dǎo) 航，但受到呼吸、心跳等動(dòng)態(tài)生理運(yùn)動(dòng)會(huì)使得術(shù)中的腔道 - 病 灶位置會(huì)產(chǎn)生相對(duì)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(shí)肺充盈程度不同，病灶目標(biāo)的術(shù)中實(shí)際位置 較三維重建模型中的位置有出入，這也被稱(chēng)為 CTBD(CT To Body Divergence)。如何高效地對(duì)這類(lèi)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，避免 過(guò)多的使用 C 臂等實(shí)時(shí)影像確認(rèn)，降低醫(yī)患所受的輻射，這也 是一個(gè)有待解決的技術(shù)瓶頸。

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

　　對(duì)照如前所述的剛性手術(shù)機(jī)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(kāi)始計(jì)算，在經(jīng)過(guò) 20 年的技術(shù)迭代和沉淀，我們有理由相信在未來(lái)的三到五年內(nèi)，柔性手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)會(huì)迎來(lái)爆發(fā)性增長(zhǎng)。只要國(guó)內(nèi)手術(shù)機(jī)器人學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)界 持續(xù)在柔性手術(shù)機(jī)器人這個(gè)點(diǎn)上發(fā)力，屆時(shí)一定可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵 部件和技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，并借助統(tǒng)一大市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，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(dá)國(guó)家在高端醫(yī)療器械技 術(shù)上的差距，成為柔性手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)強(qiáng)國(guó)。

圖 1 手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展簡(jiǎn)史