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柔性手術機器人技術的發展與臨床應用

文：2022年第4期

　　深圳市人工智能與機器人研究院醫療健康機器人中心孫正隆韓龍

　　從上世紀 80 年代開始，隨著內鏡技術和腔鏡手術技術的不斷發展，現代醫學迎來了微創手術的時代。也正是從那時起，機器人技術開始被應用在輔助診療的方案中，從 1988 年第一例關于 CT 引導下機器人輔助神經腫瘤活檢術的報道，到 1992 年 IBM 研發的 ROBODOC 機器人用于髖關節置換手術，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機器人的雛形。經過 20 年的科學研發和技術積累，從本世紀初起，手術機器人逐步完成了從實驗室研發到產業應用的最后一公里，也使得手術機器人這一名詞逐漸走入大眾視野，進入到臨床實際應用中。

　　彼時的手術機器人以剛性結構為主，應用類工業機械臂的技術為醫生提供更為精準的立體定位、精細操作和靈巧操作。以腹腔鏡手術機器人為例，它不但可以提供給醫生高清可縮放的 3D 影像，以及更舒適的操作模式，同時也將醫生從傳統的反人類直覺的手術操作流程中解放出來，使得醫生能更為方便地進行手術操作。美國的直覺外科手術公司(Intuitive Surgical)于 2000 年率先搶得先機，其研發的達芬奇手術機器人取得了 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，在腹腔鏡手術機器人領域一騎絕塵，獨領風騷至今。同期投入研發的神經外科手術機器人、骨科手術機器人也紛紛投入到產業浪潮中，涌現了 ROSA、MAKO 等一眾手術機器人品牌。

　　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的進步，另一方面機器人輔助手術的發展也進一步推動了微創手術術式的不斷創新和突破，使得一些依靠傳統手術工具很難做到的術式變為可能。自 2006 年起，美國消化道科醫生 Anthony Kalloo，Swanstrom 等人率先提出了經自然腔道手術這一新概念，也促使了新一輪的柔性手術機器人技術革新。目前國外已有拿到臨床應用注冊證的此類產品，比如 Auris Health 的 Monarch(后被 Johnson & Johnson 收購) 以及 Intuitive Surgical 的 ION 系統。

　　近年來，國內在高端醫療器械，尤其是手術機器人產業上的投入和成果也是有目共睹，進入了關鍵技術和部件國產化的快車道。而柔性手術機器人作為未來的技術趨勢，勢必對該項產業發展也有著至關重要的戰略意義。2021 年國家通過的 “十四五規劃”中也明確提到了要突破腔鏡手術機器人等高端醫療器械的核心技術。第二十三屆中國科協年會上也發布了 10 個重大科學問題、工程技術難題和產業技術問題，其中就包括“如何開發融合軟體機器人與智能影控集成技術的腔道手術機器人產品”。

　　在柔性手術機器人的技術中，環境較為特殊，需要解決手術通道狹長彎曲、手術操作空間小、末端靈活性和剛性矛盾等痛點。雖然在機械結構設計、體外定位等細分領域都可沿用剛性手術機器人研發中的技術積累，相對較為成熟，主要聚焦在工程實現的問題上，但在柔性手術機器人中仍面臨柔性驅控操控性能不佳、術中交互感知缺失、以及腔道內術中導航失準等核心關鍵技術問題。

　　柔性驅控操控性能不佳：在柔性手術機器人中，柔性不僅僅是指末端執行器的靈活性，也體現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。受限于絲線驅動機構本身的缺陷，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，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明顯的延遲，與剛性腹腔鏡手術機器人直覺化的操作在性能上還有較大的差距。同時這一現象也限制了柔性系統的控制帶寬。

　　交互感知缺失：術中力感知反饋一直是手術機器人臨床應用中比較有爭議的議題，有些醫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，技術不夠成熟。但在柔性驅動中，受到傳動背隙的影響，末端的環境交互是無法直接地反射到驅動端上來;換句話說，交互感知的缺失導致反向驅動無法很好的被監測，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。

　　腔道內術中導航失準：術中導航技術依賴于術前 CT/MRI 掃描信息。通過掃描數據三維重建腔道模型，之后在術中應用不同感知技術(如視覺、電磁感應等)實現實時配準定位導航，但受到呼吸、心跳等動態生理運動會使得術中的腔道 - 病灶位置會產生相對位移。例如在經支氣管介入手術中，由于術前CT靜態掃描時肺充盈程度不同，病灶目標的術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，降低醫患所受的輻射，這也是一個有待解決的技術瓶頸。

　　除此之外，柔性手術機器人也面臨著一些普遍的設計與性能間的矛盾。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式進行對應的優化，因此一個柔性手術機器實現很難達到跟達芬奇手術機器人一樣的通用性，但柔性驅動的底層邏輯和共性技術始終是相通的。

　　對照如前所述的剛性手術機器人發展歷程，從 2006 年經自然腔道手術概念的興起開始計算，在經過 20 年的技術迭代和沉淀，我們有理由相信在未來的三到五年內，柔性手術機器人市場會迎來爆發性增長。只要國內手術機器人學術及產業界持續在柔性手術機器人這個點上發力，屆時一定可以實現關鍵部件和技術國產化，并借助統一大市場的優勢，加速產品與技術迭代，一定可以縮短甚至逆轉與發達國家在高端醫療器械技術上的差距，成為柔性手術機器人領域的技術強國。

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