心脏外科手术机器人研究及应用进展

许红凤

（首都医科大学附属北京朝阳医院冠心病监护室，北京 100020）

0 引言

心脏是人类最重要的功能器官之一。受年龄、遗传、饮食等诸多因素的影响，心脏可能会发生不同程度的损伤或病变，影响身体健康[1-2]，为此，通常需要通过外科手术进行治疗[3]。传统的心脏外科手术多是通过开胸进行，不仅会破坏胸廓的原有稳定性，还会导致出血量增大以及外部气体介入，手术创伤大，患者术后疼痛感强烈，甚至会造成伤口或胸骨开裂，影响康复效果[4-6]。此外，心脏体积小、组织密布、结构复杂，对医护人员的专业技能要求很高[7]。

随着机器人技术的快速发展，在精准医疗、微创外科以及医工交叉理念的共同推动下，融合临床医学、生物力学、精密机械、自动控制、视觉图像、传感技术、通信与交互以及计算机等技术的医疗机器人被逐渐引入到心脏外科手术领域。外科医生可以通过遥控使机器人完成全部或部分心脏外科手术。与传统的心脏外科手术相比，借助机器人可以在保证同样甚至更优治疗效果的前提下，经小切口（5～30 mm），运用非体外循环技术进行心脏外科手术，不仅手术操作更加精准，创伤及瘢痕小且术后恢复迅速[5-6]，还能缓解医护人员疲劳。因此，外科手术机器人的出现为心脏外科手术的快速化、精准化、微创化提供了新的思路和途径。近年来，国内外学者围绕心脏外科手术机器人的研究和应用开展了许多讨论[5-11]，现综述如下。

1 国内外心脏外科手术机器人研究及应用概况

20世纪90年代初期，一些国外机构开始尝试研制外科手术机器人，以借助这些机器人开展心脏外科手术[12-13]。1998 年，Carpentier等[13]借助早期的手术机器人，通过计算机辅助技术，使用小切口和图像技术进行了侵入性较低的心脏外科手术，验证了利用机器人开展心脏外科手术的可能性。到2000年4月，Mohr等[14]已借助机器人技术开展了148例心脏外科手术，这是机器人在心脏外科手术领域的早期应用。进入21世纪后，借助机器人开展心脏外科手术引起了更为广泛的关注，许多国家开始尝试开展心脏外科手术机器人的相关研究[9，15]。

经过近30 a的发展，国内外已先后研制出了多种不同形式的心脏外科手术机器人，主要可以分为手术台多机械臂心脏外科手术机器人和多杆连续体心脏外科手术机器人。此外，也有一些利用特殊材料制成的其他形式的心脏外科手术机器人。

1.1 手术台多机械臂心脏外科手术机器人

手术台多机械臂心脏外科手术机器人是目前最典型的心脏外科手术机器人，它通常需要安装在专用手术室中。这种机器人主要由医生操控台、患者手术台和视觉系统等组成，患者手术台旁安装有多个机械臂，机械臂的末端安装有手术器械和内窥镜等设备，各个机械臂可以单独作业，也可以协同作业。手术时，医生在操控台处通过人机交互系统规划手术流程，然后通过手柄或语音等指令控制机器人执行手术操作，辅助医生或护士在患者旁进行辅助操作。目前，这类心脏外科手术机器人主要有伊索（Aesop）[12]、宙斯（Zeus）[16]、达芬奇（da Vinci）[17]、Senhance[18-19]以及“妙手”机器人[20-21]等。

美国的Computer Motion公司于20世纪90年代开发了伊索（Aesop）手术机器人（如图1所示），其本质上是一个自动化内窥镜定位系统，在手术时可以根据医生的语音指令准确调整内窥镜位姿，为医生提供准确而稳定的图像信息[15]。伊索手术机器人共有3代产品，即Aesop 1000、Aesop 2000和Aesop 3000，早期产品在1994年就获得了美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）的批准。Falk等[22]在1998年曾借助伊索机器人成功实施了一例二尖瓣手术。伊索手术机器人虽然相对简单，但却是借助机器人开展心脏外科手术的早期尝试，为后续手术机器人的研究和应用提供了很好的参照。

图1 伊索手术机器人[12]

在伊索手术机器人的基础上，Computer Motion公司通过改进和优化，于2001年研制出了宙斯（Zeus）机器人系统，该手术机器人主要由医生操控台和患者手术台组成（如图2所示）[16]。在进行手术时，医生可以在操控台通过显示器观察内窥镜拍摄的画面，然后通过手柄遥控患者手术台旁的机械臂进行手术操作。患者手术台旁有3个安装在同一个移动平台上的机械臂，一个为安装有声控内窥镜的伊索机械臂，可以拍摄患者体内的细节信息，另外两个机械臂末端安装有手术器械，可以模拟医生的手术动作[16]。Grossi等[23]于2000年使用宙斯手术机器人成功实施了一例心脏二尖瓣后叶修复手术。相比伊索手术机器人，宙斯手术机器人的功能更加系统和完善，并且可以通过远程控制进行手术（如图3所示）[16]。此后，Computer Motion公司与Intuitive Surgical公司共同致力于达芬奇（da Vinci）手术机器人的研发[17]。

图2 宙斯手术机器人[16]

图3 应用宙斯手术机器人开展远程手术[16]

达芬奇手术机器人是目前世界范围内应用最广泛的医疗手术机器人，由美国的Intuitive Surgical公司于1995年研制成功，并于2000年7月通过美国FDA使用认证，是首套可以在实际手术室中真正使用的机器人系统[17]。目前，达芬奇手术机器人共有5个版本，分别是 da Vinci、da Vinci S、da Vinci Si、da Vinci Xi和da Vinci X。达芬奇手术机器人主要由医生操控台、多机械臂患者手术台和3D成像系统组成（如图4所示）[17]。手术时，医生坐在操控台前，将双手手指放于多轴运动手柄的指套中，从而使机器人将医生双手的运动准确地映射成机械臂末端手术器械的运动（如图5所示）[17]。此外，医生还可以通过语音或脚踏板等控制机械臂的运动。多机械臂患者手术台由多个七自由度机械臂和一个患者手术台组成，机械臂末端可以安装不同的手术器械或内窥镜（如图6所示）[17]。3D成像系统主要由高清双目视觉相机以及显示屏等组成，能够将所拍摄的患者体内图像放大 10～20 倍，使医生可以清晰看到手术位置及周围的组织结构。借助达芬奇手术机器人，外科医生只需通过几个小切口即可完成手术。截至2018年9月底，达芬奇手术机器人在全球范围内累计安装总数为4 814台，其中，美国和我国大陆地区的安装数量分别为3 110台和78台[17]。解放军总医院于2006年底在我国率先引进了达芬奇手术机器人，并组建了我国第一个机器人心脏外科团队[6，11]。后来，上海中山医院[24]和瑞金医院[25]等单位也购置了达芬奇手术机器人，并尝试开展了机器人心脏外科手术。

图4 达芬奇手术机器人[17]

图5 多轴运动手柄控制手术器械[17]

图6 机械臂末端手术器械[17]

TransEnterix公司于2016年底研发出了微创手术机器人Senhance，并于2017年和2018年先后获得了美国FDA和欧洲CE认证[18-19]。该机器人主要由医生操控台、成像系统以及可移动机械臂组成（如图7所示）[18]，机械臂的末端可以安装不同的手术器械。Senhance机器人通过超声波来切断或关闭不同组织，这能够有效减轻出血和创伤，外科医生还可以佩戴相匹配的眼镜，然后通过眼球运动来控制摄像头并选择最佳视角。此外，该机器人还能够通过触觉手柄提供触觉反馈（如图8所示）[19]，使医生能根据组织或器官的硬度来调整手术操作力度。目前，Senhance机器人已应用到了实际的心脏外科手术中[18-19]。

图7 Senhance手术机器人[18]

图8 触觉手柄[19]

我国天津大学与中南大学湘雅三医院等单位经过多年合作，于2013年成功研发了具有自主知识产权的“妙手”系列手术机器人（如图9所示），并于2014年4月在中南大学湘雅三医院开展了示范应用（如图10所示）[20-21]。“妙手”手术机器人主要由医生操控台和从动手术台组成，其中，医生操控台主要由立体图像观察窗、主操作手、控制面板、控制脚踏等功能模块组成，从动手术台主要由被动调整臂和从动执行器等功能模块组成[20-21]。“妙手”手术机器人虽然与达芬奇手术机器人等还有一定差距，但对提升我国在该领域的自主创新能力具有重要意义。

图9 “妙手”手术机器人[21]

图10 “妙手”手术机器人用于实际手术[21]

手术台多机械臂心脏外科手术机器人经过多年发展已经达到了较高的水平，这类机器人为医生提供了语音、手柄、脚踏板等控制方式，从而能够将医生的操作映射成机械臂与手术器械的运动，使得操作更加精细和准确。另外，高清3D视觉技术的应用使得手术视野良好，这些技术大大降低了医护人员的劳动强度，并且能够有效地提高其工作效率和准确度。此外，利用这类机器人开展心脏外科手术能够有效地减轻手术所带来的创伤。但手术台多机械臂心脏外科手术机器人体积大、所需耗材庞杂、价格昂贵、手术过程复杂、操作技能要求高。此外，这类机器人的自动化程度较低，系统的容错性和自适应性十分有限，始终需要额外的安全机制来保护患者。目前，这类心脏外科手术机器人的主要市场还是美国。

1.2 多杆连续体心脏外科手术机器人

手术台多机械臂心脏外科手术机器人的诸多不足促使人们开始尝试研究其他轻便型的心脏外科手术机器人。最具代表性的是多杆连续体心脏外科手术机器人，这种机器人通常由多个圆柱体串联而成，有多个运动关节，靠腱（绳）控制机器人的运动，其多关节结构使得机器人具有良好的柔顺变形适应能力。在机器人的末端安装有夹持器、视觉相机和光源等设备。单个多杆连续体心脏外科手术机器人的运动单元的直径通常只有10～20 mm，体积小巧且使用便捷，只需要在患者身上开很小的单孔或多孔甚至通过自然孔即可进行手术，从而能够进一步减小患者的创伤。典型的多杆连续体心脏外科手术机器人有 CardioARM[26]、IREP[27]和 i-Snake[28]等，国内上海交通大学也一直在尝试研制这类机器人[29]。

CardioARM是由卡内基梅隆大学等单位研制的心脏外科手术机器人（如图11所示），它由50根刚性圆柱形连杆串联而成，相邻连杆可以相对彼此转动10°左右，机器人直径约为12 mm，长度约为300 mm[26]。该机器人具有灵活的工作端口，通过这一端口可以推进用于治疗和成像的导管工具，并由医生通过人机交互界面控制。CardioARM已在心脏微创诊治中得到了应用验证[26]。

图11 CardioARM手术机器人[26]

IREP是由哥伦比亚大学研制的单孔手术机器人（如图12所示），它的外部直径约为15 mm，可以通过单孔进入人体腹部[27]。该机器人有两个微型机械臂和一个3D视觉模块，微型机械臂由连续体机构和平行四边形机构等组成。整个机器人共有21个主动关节，可以轻松地实现穿线打结等操作（如图13所示）[27]。美国Intuitive Surgical公司于2014年推出了类似IREP手术机器人的da Vinci Sp单切口机器人系统（如图14所示），该机器人的外部直径为25 mm，配备有3D高清摄像头以及3个全铰接式手术器械，可作为达芬奇手术机器人的末端延伸[17]。

图12 IREP手术机器人[27]

图13 IREP手术机器人穿线打结示意图[27]

图14 da Vinci Sp单切口机器人[17]

i-Snake是由英国帝国理工学院的哈姆林中心研制的心脏外科手术机器人（如图15所示），机器人关节采用微电动机驱动，末端配有多种传感和成像系统[28]。机器人的外部直径仅为12.5 mm，长度约为400 mm，机器人中心为中空结构。该机器人十分灵活，可以通过很小的单孔通道进入患者体内，待达到目标区域后，外科医生可以通过中空结构插入不同的手术工具进行手术操作[28]。此后在i-Snake的基础上，该团队又研制了改进版的i2Snake手术机器人，并进行了模拟验证（如图16所示）[30]。

图15 i-Snake手术机器人[28]

图16 i2Snake手术机器人模拟应用场景[30]

多杆连续体心脏外科手术机器人具有体积小巧、操作简便等优点，可以通过很小的单孔或多孔甚至是自然孔进入人体内进行手术，手术过程的创伤小且疤痕不明显，但这种机器人还多处于研发阶段，真正投入应用的还很少。

1.3 其他形式的心脏外科手术机器人

除上述2类典型心脏外科手术机器人外，还有一些其他形式的心脏外科手术机器人，这些机器人主要通过一些特殊材料制作而成，如利用镍钛合金制成的超弹性蛇形机器人[31]以及利用医用硅胶制成的软体手术机器人[32]等。这些机器人具有很强的柔顺性，能够很好地适应心脏的复杂外形特征，但难以实现精确运动控制，目前主要处于实验室研究阶段，尚未投入实际使用。

2 心脏外科手术机器人的关键技术

心脏外科手术机器人的研究涉及医学、材料、生物力学、机械、电子、传感、控制、图像及通信等各个方面，相关的关键技术主要有以下几个方面：

（1）自适应运动控制与精确定位技术。患者的体型、病症以及要实施的手术操作千差万别，这要求机器人能够依据手术任务进行调整与自适应运动控制，并具有较高的鲁棒性以及良好的运动控制精度与定位精度，确保手术操作的平稳性、安全性和精准性。

（2）逼真的力觉/触觉反馈与再现技术。心脏不同部位的结构和硬度差异较大，这要求医生或机器人在进行手术时能够准确地掌握操作力度，逼真的力觉/触觉反馈与再现技术能够使医生比较真实地感知患者心脏不同部位的硬度变化，从而灵活地调整手术力度，使手术操作更加精准，避免因力度过大造成损伤。

（3）良好的人机交互系统与人机共融技术。心脏外科手术机器人系统复杂且操作难度较高，这要求机器人具有丰富的硬件交互系统（手柄、语音、踏板等）和良好的人机交互界面，使医护人员可以快速准确地掌握机器人的操作要点，减少医护人员的认知负荷，保障患者安全，实现医护人员、机器人和患者的共融。

（4）高精度的立体成像与显示技术。在进行心脏外科手术时，医护人员难以看清患者体内的具体情况，这要求机器人具有高精度的立体成像与显示功能，能够通过视觉相机将患者体内的细节放大之后清晰地展现给医护人员，使医护人员能够实时观测心脏及其周围组织的变化，准确及时地调整手术操作。

3 心脏外科手术机器人存在的问题及发展趋势

目前，心脏外科手术机器人还存在一些明显的不足，主要包括：（1）心脏外科手术机器人完全由医护人员进行操控，这会在很大程度上增加医护人员的工作强度；（2）医护人员需要经过长时间培训才可以掌握心脏外科手术机器人的操作要点，这在很大程度上增加了医护人员的认知负荷；（3）心脏外科手术机器人多不具备主动抑制震颤与自适应补偿能力，这会在一定程度上影响手术的精准性，还可能会引起患者的不适。

随着机器人技术的不断发展，心脏外科手术机器人必将向更加智能、精准和高效的方向发展，并最终实现从辅助到自主以及从简单到综合的目标。可能的发展趋势如下：

（1）视觉伺服技术与患者病症知识库相结合，引导机器人进行自主规划及操作。可以借助大数据、云计算、人工智能等新技术构建患者的广义模型，然后基于与已知病症相匹配的数据集进行推理实现自主诊断和决策。基于诊断和决策信息，使机器人在视觉伺服技术的引导下，进行自主规划（包括手术方案规划、机器人运动路径规划等），在医护人员确定手术方案无误后，还可以让机器人接管复杂手术操作。

（2）智能便捷的人机交互系统与简洁实用的演示教程相结合，降低机器人的操作难度。除手柄、脚踏板和语音等交互方式外，还将引入肌电、脑电、眼动、手势识别等智能便捷的交互方式以及虚拟现实等技术，使交互方式更加丰富和全面。此外，还可以使用机器人自带演示教程引导医护人员进行手术场景模拟和训练，降低机器人的操作难度，使医护人员经过适当培训即可掌握操作要点，保障手术的精准与安全，实现人机共融。

（3）多传感反馈系统支持下机器人的主动抑制震颤与自适应补偿能力的提升。心脏外科手术机器人将会充分融合力觉传感器、触觉传感器、电流传感器以及生物传感器等多种传感器，通过引入触觉和力觉等反馈机制，提高机器人的鲁棒性、容错性和安全性，并能针对高精度操作需求主动进行震颤抑制，还能够自适应补偿患者的本能运动，如呼吸运动，从而全面提高手术的精准性和安全性。

4 结语

经过多年的发展，国内外已研制出了多种不同类型的心脏外科手术机器人，部分机器人已用于实际的心脏外科手术。借助这些机器人开展心脏外科手术可以通过少数的小切口实现手术治疗，具有创伤小、恢复快且疤痕小等优点。但由于价格昂贵、操作复杂、自动化水平低等原因，目前，心脏外科手术机器人的应用还不是十分普遍。未来，随着机器人等技术的不断发展和进步，临床医学、生物力学、精密机械、自动控制、视觉图像、传感技术、通信与交互以及计算机等技术将结合得更加紧密，心脏外科手术机器人的智能性、精准性、鲁棒性、安全性和高效性都将不断提升，促进机器人技术更快、更好地应用到多种心脏外科手术中。