医疗服务机器人应用与发展研究报告

黄敦华，李 勇，陈容红

（北京电子科技职业学院，北京 100176）

医疗服务机器人应用与发展研究报告

黄敦华，李 勇，陈容红

（北京电子科技职业学院，北京 100176）

论文介绍了医疗服务机器人的基本概念、特点、应用与发展，重点阐述了手术机器人、康复机器人、护理机器人、救援机器人与转运机器人的发展与应用。

医疗服务机器人；应用；发展

0 引言

医疗服务机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，具有重要的研究价值，在军用和民用中有着广泛的应用前景，是目前机器人领域的研究热点之一，它主要用于伤病员的手术、救援、转运和康复。医疗服务机器人北京市工程实验室主任张送根博士认为，智能型手术及医疗服务机器人，有广泛的感觉系统、智能和模拟装置，涉及医学成像、图像分析、机器人、运动分析及虚拟现实等多个学科的最新成果，能够全面扩展人类能力极限，提高医生的手术及诊疗技能，辅助医生进行手术规划、仿真、操作等过程。

医疗服务机器人具有的特点：①医疗服务机器人的作业环境一般在医院、街道、家庭及非特定的多种场合，具有移动性与导航、识别及规避能力，以及智能化的人机交互界面。在需要人工控制的情况下，还要具备远程控制能力；②医疗服务机器人的作业对象是人、人体信息及相关医疗器械，需要综合工程、医学、生物、药物及社会学等各个学科领域的知识开展研究课题；③医疗服务机器人的材料选择和结构设计必须以易消毒和灭菌为前提，安全可靠且无辐射；④以人作为作业对象的医疗服务机器人，其性能必须满足对状况变化的适应性、对作业的柔软性，对危险的安全性以及对人体和精神的适应性等；⑤医疗服务机器人之间及医疗服务机器人和医疗器械之间具有或预留通用的对接接口，包括信息通讯接口、人机交互接口、临床辅助器材接口以及伤病员转运接口等。

1 应用与发展

根据应用，医疗服务机器人分为手术机器人、康复机器人、护理机器人、救援机器人与转运机器人等。

1.1 手术机器人

手术机器人最早源于美军机器人手术和远程外科计划，并于1994年，由美国国防部下属的国防高级研究计划局（DARPA）研制成原型机。从军事医学的角度来看，机器人手术技术能为处在不利环境中的军事人员提供医疗援救服务，可以在全球范围内开展军事人员的外科救治，如战场、核生化危险环境和外太空等。在和平时期，机器人手术系统可用于加强医生培训；消除手部的抖动，减少术者的疲劳，增加精细操作的能力，从而提高手术的安全性；可以开展全球范围的手术，实现远程会诊和医疗等。商业化的手术机器人最早出现在1994年，由美国Computer Motion公司研制，命名为AESOP。手术机器人于1997年3月在比利时布鲁塞尔St Pierre医院完成了第一例腹腔镜手术—胆囊切除术。1998年，Computer Motion公司研制的Zeus系统、Intuitive Surgical公司研制的da Vinci系统和endoVia公司研制的Laprotek系统分别获得了成功。这三个系统均由三大部分组成：医生操纵台、机械手和内镜装置。Zeus系统采用纯信号方式实现医生操纵台对机器臂的控制，在传输距离上不受视频延迟的影响。Zeus系统于2001年9月首次成功实现了跨大西洋 (美国纽约-法国斯特拉斯堡)的机器人腹腔镜胆囊切除术。目前，手术机器人不仅完成了普外科，还有脑神经外科、心脏修复、胆囊摘除、人工关节置换、泌尿科和整形外科等方面的手术。最近，美军正在研究远程微创外科手术机器人系统项目，采用da Vinci系统在美国华尔特里德陆军医学中心和约翰霍普金斯医院之间 （相距64 km）开展远程手术研究。由沃特里得陆军医学中心 （WRAMC） (Water Reed Army Medical Center)开发的多国远程医疗项目是美国第三级军事远程医疗咨询系统。它基于跨平台技术计算机、软件、数字摄影和高速卫星通信。配备的医学专家专业领域包括皮科、骨外科、传染病、眼科和普通外科。远程医疗分为两种类型。一种为高分辨率数字静态 （HRDS)图像处理，利用440万像素的KodakDCS420拍摄临床图像并下载到个人计算机或笔记本电脑。图像和咨询申请单文件通过卫星接收器或高速调制解调器传送到WRAMC。数码相机图像的分辨率为1524×1012，文件大小为4.5MB。内置硬盘可以储存50幅图像。咨询方式为储存和转发。WRAMC咨询管理员收到咨询申请和图像以后，编制咨询病历并将记录转送到适当的医学专家。另一种方式为视频会议 （VTC)咨询，需要预约和安排。VCT系统采用两种硬件，一种是CLI8100系统，传输速率为54 kbs至1.544 mbps。另一种为采用个人计算机 PictureTelPCS-100E桌面视频会议系统，速率为112 kbps或384 kbps。可以传送数据和HRDS图像文件、申请单、广播功能以及在VTC过程中抓获静态图像。据DARPA Tech会议确定，2009年，第一部便携式的手术机器人应用到现实中去。这个名为 “Trauma Pod”的系统已经成功的对一个没有并发症的人体模型进行了治疗。医生可以独立的远程控制机器人，而这个机器人能够完成一系列的功能，比如外科手术辅助，撤出病人等。在远程手术中，自动锁定目标系统可以辅助外科医生完成特定动作。这套系统可以装在史塞克系统的后部，其便携性将在部队中发挥很大的作用。

在国内，海军总医院和北航机器人研究所共同开发出智能化远程外科手术系统，被称为 “遥操作远程医用机器人”。2002年，海军总医院田增民等人首次成功地使用该机器人给一位脑肿瘤患者做了立体定向活检手术。专家先通过电脑网络接收病人的信息，分析病人的CT影像、进行手术规划，然后遥控操作手术室内的机器人开始手术。手术室内的机器人根据专家的指令，自动搜索手术部位，并迅速锁定立体定向穿刺路径，20 min后，成功地取出病变组织。目前，手术机器人还处于初级发展阶段，有许多方面需要不断的完善和改进：开发智能化的安全与决策系统，以保证病人的安全。通过增加 “人造视野”系统，可在手术过程中监视术野，辅助术者做出判断，增加手术的安全性；用软件来处理触觉和视觉图像的整合、分割和合成；提供稳定的触觉控制，识别不同的人体组织，进行关键解剖结构的图像识别和图像分割；具有良好的触觉反馈和位置觉。

纳米机器人可以直接进入人体器官内部进行工作,完成组织取样、血管疏通、药物定点放置、微型手术和细胞操作等普通医疗技术和手段无法完成的工作。目前，国外正在研制和开发体内自主行走式诊断治疗、体内微细手术和体内药物直接投放微型外科手术机器人。医生用注射器将微型机器人推入人体内部,由它所携带的微生物传感器对人体组织进行检测，当发现有病变组织时,微型手术机器人对病变组织进行直接手术和药物注射治疗。哈尔滨工业大学机器人研究所成功研制出纳米级精密定位系统,在这个系统支持下的纳米级高精密微驱动机器人,能对细胞和染色体进行 “显微手术”。纳米级机器人可在人体微观世界行走,随时清除人体中的一切有害物质,修复损坏的基因,激活细胞能量,使人不仅仅保持健康,而且延长寿命。据日本科学技术政策研究所预测，到2017年，在医疗领域使用手术机器人和微型机器人的手术将超过全部医疗手术的一半。

1.2 康复机器人

康复工程（Rehabilitation engineering）是生物医学工程的一个重要分支学科，主要研究如何运用工程技术手段提高残障人士的生活质量。康复机器人可分为辅助性和治疗型两种。辅助型康复机器人主要用来帮助老年人和残疾人更好地适应日常的工作和生活，部分补偿了他们弱化的机体功能；治疗型康复机器人用来帮助患者恢复机体功能。

目前，康复机器人的研究主要集中在康复机械手、智能轮椅和康复治疗机器人等几个方面。国外开展康复机器人的研究已有相当长的时间，20世纪60年代初期出现了第一台康复机器人CASE。早期法国CEA公司开发的MASTER系统，美国Tolfa Corporation开发的DEVAR系统，以及英国OxfordIntelligent Machines开发的RAID系统，它们的机械手都安装在一个彻底结构化的控制平台上，可在固定的空间内操作。美国的MOVAR系统和意大利的URMAD系统的机械手安装在轮椅上，因轮椅的移动而扩大机械手的操作范围，但由于安装机座的改变导致了机械手刚性下降和抓取精度降低。而且这种方法只适合于那些可以用轮椅的人。机械手安装在移动机器人或者是自主的小车上，适于更多的患者使用，同时还扩大了活动空间并提高了抓取精度，这种机械手系统一般由视觉、运动、传感、导航及系统控制等子系统组成，是目前最先进的。日本东京大学的S.Tachi教授在MIT日本实验室工作时开发了一个移动式康复机器人MELDOG。欧洲Scuola SuperioreS.Anna技术实验室的一个研究小组在URMAD系统基础上开发了MOVAID系统，它具有自由避障的功能，操作者可以实时监控和干预机器人的动作。它可以帮助残疾人完成食物加热、厨房打扫和床铺清理等工作。代表最新发展方向的是美国费城Pennsylvania大学的P.Wellman等人设计的智能轮椅，将智能机器人技术应用于电动轮椅上，融合了传感技术、机器视觉、机器人导航和定位、模式识别及人机交互等先进技术，强调人机互动和接口的自适应性。近年来，治疗型康复机器人的研究取得了重要进展，如有辅助神经肌肉康复训练机器人和脑神经康复机器人。

康复机器人技术经过了40多年的发展，已成为国际机器人领域的一个研究热点，其未来发展呈现以下几个趋势：①各种先进的机器人技术广泛应用到康复领域；②康复理论的发展催生新的康复机器人；③仿生学的发展指引着康复机器人的未来。

1.3 护理机器人

护理机器人一般用来辅助护士完成相关的护理工作，如病人翻身、更换床单等护理，以及食物、药品、医疗器械、病志的传送和投递，与病人对话，提供数据和影像支持等工作。日本机械工程研究所开发的MELKONG，专门用来照顾那些不便走动的病人。日本三菱公司还推出了一种在MELKONG基础上改进的传输搬运车辆。美国运输研究会 (Transition ResearchCorporation,TRC)研制的 “HelpMate”机器人，可以24h在医院里完成运送食物和药品的工作。对护理机器人的研究现在多集中在研究可移动机器人系统，如 WALKY, MOVAID和ARPH等机器人系统。

1.4 救援机器人

救援机器人主要担任危险条件下的救援工作，在火灾、地震和战场等各种场合下能迅速且安全地将伤病员救出。在1995年的日本 “阪神”大地震中，90%以上的死者是因为被埋在倒塌的建筑物下面未能及时获救而死亡的，因为大型工业机械不适用于震区的挖掘工作，而人工挖掘的速度又太慢。2003年,国际救援系统研究所在日本政府的赞助下，开发出了第一批可以在地震废墟上爬行、飞行和跳跃的救援机器人，这些机器人大部分体型较小，通常装有短波摄像头和感应器，用于地震后受灾人员的搜索。2004年，还研制出大型救援机器人“T-52En ryu”，可轻松地挪开变形的汽车和倒塌的建筑物等障碍物，救出受灾人员。该机构计划用15年时间创造出一支机器人救援队伍的项目。2007年，美国Vecna公司研发出战场救援机器人 “VECNA's BEAR”，机器人上身采用液压伸缩装置，底部使用履带式驱动系统，装备了测速仪和陀螺仪，以监控身体移动，并探测身体是否失去平衡。电脑控制的发动机能够随机调整下肢动作，防止它跌倒。 “VECNA's BEAR”的双腿和双脚都装有履带，从而能在崎岖道路或楼梯上自如行驶。它的臀部、膝盖和脚部还有轮子，在平滑地面上，它可以转换到两个轮子的行驶模式，行动更加快捷。它还能灵活地转换多种姿势，以适应不同路况。VECNA's BEAR身手敏捷，能够担负普通人无法担负的任务，可以抱起受伤士兵送往后方安全地带，其行走时间长达50 min。救援机器人工作于复杂的现场环境中，其结构设计要简单紧凑，运动要灵活，还要有强大的动力足以克服障碍将伤病员移动到安全地带；动力来源于蓄电池的救援机器人，其设计应该尽可能的减少不必要的额外功率损耗，提高蓄电池的使用效率；救援机器人执行任务需要克服种种障碍，必须具有规避导航能力，还要有一定的自主完成任务的能力，在人不能为其提供指令和引导的恶劣情况下，能做出正确的选择；救援机器人集多种传感器于一体，才能对伤病员是否活着进行判断，才能精确地分析出现场的破坏和污染程度 （粉尘、辐射、毒气等）；救援机器人还要有一定的急救能力，如供氧、解毒和药物注射等。

1.5 转运机器人

转运机器人主要用于危重病患者的特殊检查、挪动、转床、手术和麻醉前后的接送和战场伤病员的后送，避免伤病员的再损伤。目前，国内外大部分研究还主要集中在病人转运车，主要以人工操作为主，自动化程度低。2007年，燕山大学王洪波教授和日本Fumio Kasagami教授共同研制出 “C-Pam”转运机器人，采用接触点相对静止技术，不需移动患者身体的任何部分，患者就会被移动到床板上，但其传感器少，自动化和智能化水平相对比较低。转运机器人在保证患者无痛转运的前提下，还要易消毒灭菌，行走灵活，控制简单，安全可靠。随着技术的进步，转运机器人正朝着自动化和智能化方向发展。

2 未来走向

医疗服务机器人将机器人技术应用到医疗领域，极大的推动了现代医疗技术的发展，是现代医疗卫生装备的发展方向之一。手术机器人具有高准确性、高可靠性和高精确性，提高了手术的成功率；康复机器人具有智能化，可为伤员、病人与老年人提供康复和服务；救援机器人可以经受得住战场和灾难等恶劣环境的考验，安全救出伤病员。未来医疗服务机器人的发展方向为高准确度、高可靠性、高精确性、智能化、数字化、一体化。

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The Applications and Development Report of Medical Service Robot

HUANG Dun-Hua，LI Yong，CHEN Rong-Hong
（Beijing Polytechnic,Beijing 100176，China）

This paper introduces the basic concepts of medical service robot,features,applications and development,focusing on the surgical robot,robotics rehabilitation,nursing robots,rescue robots and robotic transport development and application.

medical service robot；applications；development

TP242

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.003

1002－6673（2014）03－006－04

2014－04－29

项目来源：该文受“科研基地—机电一体化系统控制工程科技创新平台二期—健康体检机器人系统研制”项目资助

黄敦华（1978-），男，安徽人，副教授，研究方向：机电一体化技术与机器人；李勇（1975-），男，讲师。目前研究方向：机电一体化技术。