国际医疗机器人的发展趋势和特点

医疗机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一，其发展前景非常看好。近年来，医疗机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注，研究工作蓬勃兴起。二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划(IARP)已召开过多届医疗外科机器人研讨会。DARPA已经立项，开展基于遥控操作的外科研究，用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一。在发达国家已经出现医疗外科手术机器人市场化产品，并在临床上开展了大量的病例应用研究。

1、介入式诊疗机器人

介入式诊疗机器人是因为无创、微创外科(MIS)的需求而发展的。所谓无创、微创外科手术，是利用人体天生管腔或手术小孔来导入医疗器械或医疗机器人以实现对人体进行诊断、治疗、检测和手术等，从而减少手术期间对人体其它完好组织的伤害，缩短康复时间，消除手术引起的副作用，降低医疗费用，并减轻患者的生理痛苦和医疗人员手术操作时的心理压力。目前微创外科手术几乎涵盖了整个外科领域，从胆囊、胃肠、子宫到心、肺、肝、肾等，从活检到病灶切除等，有逐步取代许多常规开刀手术的趋势。

介入式诊疗机器人是无创、微创外科的重要手段。目前主要研究的方向分为自动化内窥系统的研究、影像胶囊的研究和虚拟内镜的研究。

1．主动内窥镜

(activeendoscope)

主动内窥镜是在传统内窥镜的基础上，利用机器人技术对其进行改造，以达到提高性能，克服固有的缺点的目的。常用的方法有将被动介入的内窥镜改造成具有多关节的结构，实现主动控制和对障碍的回避；通过蠕动机构达到在人体腔道内的主动行走，携带内镜通过复杂的腔道；利用螺旋机构旋转运动中介质提供的推进力，在腔道中的黏膜的基础上实现前进动作。典型的研究如：

意大利比萨大学的Mitech实验室进行了一系列的研究，研制出可用于医疗实践的肠道主动内窥镜。

美国加州理工学院研制的主动内窥检查机器人，尾部拖有线缆(控制信号线、进出气导管和光纤束)，本体主要由支撑器和延展器组成，采用蠕动方式移动。日本东京工业大学根据蚯蚓蠕动原理开发了一种蠕动式微型机器人。整个机器人由三个运动单元组成(每个单元对应于蚯蚓的节)，每个单元包括柔性微驱动器(Flexible Micro Actuator，简称FMA)和四个铰链。

日本东京大学生物医学工程研究中心提出了应用动压效应原理驱动医用内窥镜在人体腔道内运动的方案，如图所示：

2．智能药丸和影像胶囊(Image capsule)

MIT化学和生物化学工程系教授RobertLanger博土与John Santini和MichaelCima共同开发了一种药物输送系统，可以吞服或植入皮下，并能够按照预定的程序定时施放药物。

影像胶囊解决了现有内窥镜检查的一些问题，如普通内窥镜很难对整个消化道进行检测，并且减低了病人的痛苦和医疗人员的负担。不足的是由于本身尺寸和运动方式的限制，对于消化道拐角处及被检测腔道的尺寸变化较大的地方很难获得理想的有医疗价值的内窥图像。

3．虚拟内镜技术

(Virtual endoscopy)

虚拟内镜技术是指根据CT或核磁共振图像数据重建人体腔道模型、用虚拟的相机在腔道中模拟移动进行仿真观察。前一阶段报道的有纽约州立大学、台湾成功大学等。

虚拟内镜技术与传统内镜检查比较，前者检查是一种无损检查，无须使用麻醉剂和镇定剂，大大的降低病人不适。普通内镜检查总有穿孔危险，而虚拟内镜检查则完全排除了穿孔的可能性。能够很容易地改变虚拟摄像头的参数和路径。虚拟内镜能更方便地确定息肉在三维空间的位置。对医疗人员的操作技术要求降低。虽然虚拟内镜向无创检查迈出了崭新的一步，但基于现有技术的主要不足在于其生成的肠道模型是静态的，而实际上诊疗中由于内镜的实体介入，肠道随内镜发生的变形是动态的，与静态的虚拟模型有很大出入。另外不足是检出息肉有效率只有59％(内窥镜为90％)，且CT检查费用高于内镜检查，与虚拟技术结合将更无助于虚拟内窥镜技术普及。现有技术还有较大研究空间。

4．医用微导管系统的医用导管也是符合最小创伤外科要求的一种常用的医疗器械， 目前可以携带血管镜进入人体诊疗的具有环境感知功能的超细导管是一个重要的研究方向。

日本国家微机械十年发展计划的支持下，开发了超细的以进入人体的血管诊疗为目标的智能导管。头部携带微小的传感器。对人体环境进行感知，进行血管的检查，能够清除血栓。

根据现有的资料，光导纤维镜将朝超细径化、提高传像束质量、采用各种传感器以及配制各种检测、处置、摄像装置等方向综合发展

2、外科手术用的机器人

美国ComputerMotion公司研制的Aesop系统，是在无创微创手术中对内镜进行自动把持的多自由度机器人。该系统已成为成熟的商品，并获得美国食品及药物管理局(FDA)的批准进入市场。该系统早期的型号AESOPl000采取脚踏板控制方式对机器人进行控制。从其后的AESOP2000型开始，控制方式改为语音控制，即通过医生的语音指令对机器人进行控制。

Computer Motion的另一类型的医疗手术机器人称为ZEUS系列，它是一种遥操作机器人，用于胸腔或腹腔等的微创手术。手术中医生可以坐在屏幕前，利用两个特别的操纵杆，控制做手术的两个机械臂。

美国Intuitive Surgical公司的daVinci系统具有和ZEUS相似的功能，已获得欧洲CE认证和美国FDA认证，是世界上首套可以正式在医院手术室腹腔手术中使用的医用机器人手术器械。

在日本国家医疗和健康装备研究发展计划支持下，Hitachi公司、东京女子医学院、东京大学等研制的HU-MAN系统，可携带三个手术操作器和一个刚性内窥镜进行遥操作，用于神经外科手术，处于动物实验阶段。

3、康复／助残机器人

另一类广义的医疗机器人是康复／助残机器人：美国Helpmate公司开发护士助手机器人；荷兰的助残轮椅MANUS－arm，并装有机械手，执行开门、取物等一些简单的操作。

4、远程医疗手术研究

意大利米兰工业大学远程机器人实验室于1993年7月7日成功地进行了世界上第一例远程手术试验，一位意大利医生在美国加州通过远程手术系统对位于意大利米兰的一个模型猪(内部含有真实猪器官)进行丁模拟手术，手术内容包括表皮剖切、活组织检查等。试验两地相距14000公里，试验中信号传送通过卫星和光纤网络进行。

1997年9月，日本东京大学也成功地进行了一例远程手术试验，试验两地相距700公里，由一名医生通过遥控装置对一根直径仅为1mm的人造血管进行了缝合手术。

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)，相当于一个通用的上层模块，并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。同时，它也是一项涉及多学科领域的综合性技术，它的发展将对各相关学科的发展产生推动作用。

(据《上海科技》)

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