医疗机器人研究、应用现状及发展趋势

刘伟，赵潇，傅扬

1.湖北文理学院附属医院/襄阳市中心医院 设备处，湖北 襄阳 441000；2.湖北文理学院 机械工程学院，湖北 襄阳 441000

引言

机器人技术目前已经发展到集计算机、图像、机械、材料、电子、仿生以及控制等多个学科为一体，在工业、军事、农业、建筑以及医学等领域有广泛运用。在工业机器人诞生后，有学者考虑将机器人技术引进到医疗手术中，手术机器人最早出现在1985年的神经外科手术中，该机器人作为临床活检辅助设备被运用，在机器人的辅助下医生的治疗操作更加精确[1]。新的定位技术MRI 在1995 年引入机器人辅助显微外科手术系统中，该系统有6 个运动方向，使其机械臂更加灵活，且图像更加清晰[2]。随后通过内镜通道能够对患者体内病变区进行组织镊、激光等操作的机器人系统NeuRobot 被研发出来[3]。2007 年Medtech 公司研发集导航定位、多模态图像融合重建以及触觉反馈等功能的ROSA 手术机器人辅助系统取得成功，并广泛运用到多种外科手术中[4]。机器人外科手术系统在医疗领域的应用得到迅速发展，相较于传统腹腔镜手术，机器人手术因具有诸多优势受到了临床医生与患者的青睐，成为微创外科发展的重要方向[5-6]。本文旨在总结医疗机器人的发展与应用现状，并提出存在的问题及未来的发展方向，以期为后续医疗机器人的临床应用提供理论依据。

1 医疗机器人的分类

医疗机器人是在机器人技术基础上融入医学、生物学、信息学等元素发展而来的，是集信息系统、控制系统、机械系统以及影像系统为一体的医疗器械[7-8]。医疗机器人在国际市场上的产业规模由2017 年的119 亿美元增长至2021 年的207 亿美元，涨幅达73.9%。国内医疗机器人在市场经济、技术以及相关政策的推动下，得到快速发展，医疗机器人产业规模自2017 年起每年保持着30%的增长速度，截止到2021 年全国医疗机器人产业规模已经达到79 亿元，其中，医疗手术机器人的产业规模得到快速增长，2021 年度达到52.5 亿元，在国内医疗机器人产业规模占比66.5%[9]，见图 1～2。

图1 国内外医疗机器人产业规模对比图

图2 中国医疗机器人市场规模图

随着机器人技术的飞速发展，医疗机器人技术也变得成熟起来，并在现代医学中大放异彩。医疗机器人技术的引入使得精准、微创、差异化治疗成为可能。以2017 年国内使用医疗机器人进行手术数量为例，2017 年机器人手术案例量达到6069 万例，其中普外科、妇科、泌尿外科和骨科是使用医疗手术机器人的重点科室，分别占比18%、13%、28%以及6%，占全年手术量的65%[10]，见图3。

图3 国内使用医疗机器人手术类型图

1.1 手术机器人

手术机器人类型多样，尚未有统一的划分标准，目前主流的划分方式是根据临床应用的场景划分为骨科手术机器人、腔镜手术机器人、经皮穿刺手术机器人、泛血管手术机器人、经自然腔道手术机器人以及神经外科手术机器人；按操控方式可以划分为被动支撑手术机器人、协同操作手术机器人、主动驱动手术机器人以及主从遥控操作手术机器人。

骨科手术机器人、腔镜手术器人以及神经外科手术机器人的研究较为成熟且临床应用也更多，本文以这3 种手术机器人为主要研究对象进行分析。手术机器人作为一种先进的智能医疗手段，能够精准地在人体血管、腔道和神经分布密集的病变区域进行微创手术，不仅能够降低感染风险，还能够有效缩短术后康复时间，极大提升患者术后的生活质量[11]。

1.1.1 骨科手术机器人

第一个引入到脊柱外科手术的机器人是在2004 年通过美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）认证的Spine Assist®半自动系统机器人（Mazor Robotics），该机器人具有6 个自由度，主要用于胸腰椎螺钉位置的固定[12]。时隔7 年，该公司推出第二代名为Renaissance®的脊柱手术机器人，Renaissance®机器人在Spine Assist®的基础上加以升级，升级后螺钉位置固定成功率提高到98.9%，这两款机器人在世界范围内得到广泛运用[8]，随后又出现了性能更为先进的脊柱手术机器人：Mazor X、ROSA®Spine、Excelsius GPS®等脊柱类机器人。

在人工关节置换术的手术中最具备代表性的机器人系统有第一代的ROBODOC，该机器人系统配置有规划功能，能够帮助临床为患者选择最符合的假体，匹配率较高，但因为其自身故障率较高，术后易出现并发症等问题已经被临床淘汰。目前更为先进的关节手术机器人是MAKO 和NAVIO PFS 机器人系统，这两款机器人均具有触觉反馈装置，能够帮助医生对力道进行把控，更好地对患者进行手术治疗。

国内较为成功的通用型骨科手术机器人是2016 年得到国家药品监督管理局资质认证的天玑机器人，该机器人是世界范围内第一台通用型骨科手术机器人，能够在13 个不同身体部位进行手术，且其在脊柱类手术中的定位精度方面处于国际领先水平[13]。

1.1.2 腔镜手术机器人

腔镜技术相对传统开放式手术来说更具优势，腔镜技术的出现开启了手术微创化之路，但腔镜技术存在相应的缺陷和局限性，难以适用情况较为复杂的手术。为应对这一情况，腔镜手术机器人系统随之诞生。

第一台微创手术机器人于20 世纪80 年代初研制出，并应用于泌尿外科手术，开启了微创手术机器人时代[14]。经过技术的革新与发展，腔镜手术机器人研发最成功的是1999 年由美国直觉机器人公司研制的达芬奇机器人系统，该机器人系统由控制台、机械臂系统和成像系统3 个部分构成[15]。随着不断发展，达芬奇机器人系统已更新至第五代，目前应用最广的是第四代机器人系统，该系统打破传统布局，将视野镜头和机械臂置于吊塔上，还可以根据术中情况将视野镜头与机械臂调换位置，这样能够更好地方便医生操作。开放式手术、腔镜手术两种手术术后疤痕较大，严重影响患者的生活质量，患者对手术创伤面的微创化、美观化的需求较高[16]，达芬奇机器人手术是当下微创外科手术机器人最具权威性的代表之一，攻克了传统腹腔镜的很多技术难题，截止到2019 年初，在世界范围内已经安装4800 多台，在手术机器人安装方面处于领跑阶段。国产腔镜手术机器人的研发还处于“婴儿”阶段[17]，目前较为成功的是“妙手”系列腔镜机器人，该机器人系统已完成多项临床手术，在胆囊摘除、胃癌根治等多项复杂案例中得以运用，在未来可实现规模化生产。其他代表性的国产腔镜手术机器人系统还有“神刀华佗”“华鹊-II”等[11]。

与传统腹腔镜的设备和器械相比，腔镜手术机器人系统在灵活性、精确性和稳定性等方面拥有极其明显的优势。此外，腔镜机器人手术系统具有更大术野放大倍数，决定了其精细且灵活的操作特点，尤其是在狭窄空间内，更能体现腔镜手术机器人的优越性能，这是传统开放式手术以及腹腔镜手术无法比拟的。因此，腔镜机器人较适用于空间狭小、神经丰富的手术情况。

1.1.3 神经外科手术机器人

Analysis on the Education Reform Approaches of “Growing-up Adult” in Higher Vocational Colleges——A Case Study of Hebei Tourism Vocational College________________________________LIU Zhanming,XU Xinguo et al 89

神经外科手术对临床医生的操作熟练度要求极高，在保证操作精准度的前提下患者才能得到有效救治，否则极易引发医疗事故甚至导致患者死亡[18]。机器人系统在定位精度、稳定性等方面有着明显的性能优势，因此神经外科手术机器人受到临床一线人员的青睐。自1985 年诞生首款神经外科机器人PUMA 后[4]，市面上陆续出现了Neuromate、ROSA Brain 和“睿米”等具有代表性的神经外科机器人，这些机器人主要用于辅助临床医生进行立体定向手术。其中，“睿米”机器人是由我国自主研发的神经外科机器人，该款机器人主要用于脑外科手术定位，定位精度可达1 mm，并在脑出血、癫痫等疾病的治疗中表现出优异性能[19]。

1.1.4 远程手术医疗机器人

远程手术医疗机器人又称异地手术机器人，远程手术机器人系统由主要控制部分、从机器人部分、感应部分、接收部分、图像处理部分以及显示部分组成。医生在主控制台进行操作，通过工具模拟器将动作转化为数字信号，由网络传输至从机器人部分对患者进行治疗。随着大数据、互联网时代的快速发展，异地治疗、远程手术的实现成为可能并得以推广。第一例运用机器人辅助的远程手术是由2001 年美国医疗团队主导的胆囊切除手术，该手术的成功标志着远程手术机器人时代拉开序幕[20]。但局限于网络技术发展的不足，远程手术过程中存在画面延迟、信息数据传递不流畅等问题，严重制约了远程手术医疗机器人系统的普及。

目前，第五代通信技术（5G）已经得到全面普及，其峰值数率最高为20 Gbps，传播速率一般在10 Gbps，以往的网络延迟等问题得到根本上的解决，这对互联网医疗、远程医疗的发展起到促进作用，远程医疗机器人系统由此迎来快速发展。世界第一例基于5G 网络远程式人体手术——肠道肿瘤切除术的成功实践正式拉开5G 网络远程会诊、治疗的序幕。国内首例远程手术是由海南神经外科专家通过5G 网络对帕金森病患者进行“脑起搏器”植入操作，此次案例填补了国内远程式手术的技术空白[21]。基于5G 网络的骨科手术机器人在医疗行业内的“一对多”模式中表现优异。2019 年，北京积水潭医院的专家通过5G 网络操纵机器人同时对浙江、山东两名骨科患者进行手术并取得较好的治疗效果；同年，北京同时连线新疆、河北、天津进行“一对三”远程骨科会诊、治疗，国内远程手术发展取得重要突破[22]。同年，新型冠状病毒肺炎在世界范围内传播，该病毒传染性极强，致死率极高，严重威胁人民及医务人员的生命安全，超声及影像设备能够帮助临床更好地获取疑似病例患者的情况，5G 远程超声机器人系统孕育而生，有效地保护了医务人员的生命安全[23]。有资料显示，第六代通信网络（6G）已经开启研发准备工作，6G 的传输能力可提高至1000 Gbps，是现有5G 的100 倍，同时网络延迟也会从现有的ms 级降低到μs 级，真正意义上实现“面对面”交流[21-22]，为异地诊断、操作提供了必要的技术支撑。此外，量子通信、VR 等先进技术不断涌现，这将彻底颠覆现有医疗模式，远程医疗模式、远程机器人系统将会得到全面普及。

1.2 康复机器人

康复机器人的出现能够将医务人员从繁杂、重复的训练任务中解放出来，降低医务人员的工作强度，同时康复机器人系统会详细记录患者的生理以及训练强度等指标，这样可以为临床提供数据从而制定更科学、更符合患者且具有针对性特点的康复训练方案，帮助患者早日回归正常生活[24]。康复机器人是在康复医学理论的基础上进行研发的辅助治疗性机器人系统，能够辅助患者进行认知言语、运动行走等方面的康复训练。市面上的康复机器人主要有肢体康复、全身康复两种类型，临床主要用康复机器人对患有脑瘫、帕金森病、孤独症以及脑卒中等疾病导致的功能障碍的患者进行治疗，研究表明使用机器人对患者进行科学有效的治疗后可以有效提升患者生活质量[25]。20 世纪80 年代末期第一款概念性康复机器人Handy1 的出现开创了康复医学领域新局面，随后有性能更好的康复机器人被研发并投入市场，具代表性的有Armeo Power、SPAR、ReStore、Novo Skeleton 等[26]。2000 年国内第一款神经康复训练机器人系统诞生，随后多个科学团队相继研究康复机器人并取得多项研究成果，但大多研发的康复机器人系统仍处于临床试验阶段，尚未形成完整的产业链，还有较长的路要走。

1.3 社会辅助机器人

社会辅助机器人本质上是通过科技手段对无法自主生活的人群进行干预，对日常生活提供一定的帮助，实现生活护理、情感陪护以及康复锻炼等目标。全球正面临着人口老龄化的问题，随着时间的推移，大多数老年人的部分自主生活能力会弱化甚至丧失，这就需要投入大量的人力及医疗资源对这类人群进行照顾，社会辅助机器人的出现大大缓解了医疗资源不足的情况。Resyone 辅助机器人可以从电动轮椅切换至单人床模式，如此可以解决患者行动不便的问题，仅需一个陪护人员就可以完成多项陪护任务[27]。针对患有孤独症或经常感到孤独的群体，社交机器人是一个不错的选择，除了负责患者的日常生活，还能够与患者进行情感交流，有文献显示使用过此类机器人的患者群体会更愿意走出家门与人交流[28]。国内最早开始社会辅助机器人研究是在1990 年，5 年后清华大学研发出一款针对高位截瘫患者的护理机器人，随后社会辅助类机器人在我国得到深入研究，天津哈士奇机器人的出现标志着我国社会辅助类机器人技术进入新的时代[28]。

2 医疗机器人优势、局限性及发展趋势

2.1 医疗机器人优势

与传统开放式手术、腹腔镜手术相比较，手术机器人系统在术中立体化视野、消除人为抖动以及精细化操作等方面的优势显著，经机器人辅助后手术时间明显减少[29-30]，系统自带的智能操作功能能够增强操作者的稳定性，从而实现安全、可靠以及可重复的治疗。机器人手术具有创口小、恢复快、感染率低的优势，同时能加强临床医生应对复杂手术的能力。根据目前手术机器人已完成的治疗案例来看，患者术后并发症明显减少，术后恢复情况以及生活质量均有改善。以子宫内膜癌患者为例，用机器人手术的围手术期指标（体质指数＞30 kg/m2）与传统方式进行对比，结果表明用机器人手术的患者的中转开腹率更低、平均住院时间更短，且清扫淋巴结数量明显增加[29]。从人体学角度来看，手术机器人的引入不仅能为主刀医生提供舒适的手术环境，还能够延长其职业生涯。有文献表明在同种类手术中，机器人手术同腹腔镜手术相比，手术机器人可以明显降低外科医生的学习难度并缩短周期，如同类的腹腔镜手术，新手从开始到能够独立自主且熟练操作需要大约40～90 例患者，而从刚开始使用机器人进行手术到完全掌握仅需要15～25 例患者[30]。以上海交通大学医学院附属瑞金医院用机器人开展的甲状腺手术为例，经过35 例后，新手手术临床操作能力明显增强，80 例后手术时间基本保持稳定，相较传统手术方式用时更短[31]。

2.2 医疗机器人局限性

医疗机器人的结构极其复杂，需要特定环境进行安装，不仅生产成本极其昂贵，安装后维护费用、人力成本也居高不下，必然会导致患者就医成本的大幅增加。目前医疗机器人在世界范围内相对其他医疗设备来说安装率较低且分布不均匀，大多数已安装的医疗机器人分布在经济、技术领先的发达国家，发展较为落后的国家或地区因为医疗机器人的造价昂贵、维护成本极高以及患者的医疗负担较重等原因难以安装，导致医疗机器人很难短时间内在世界范围内全面推广。受限于科技和经济的发展，现有的医疗机器人大多需要人为干预，自动化、智能化程度较低，导致现有医疗机器人的功能较为单一，只能在一定程度上降低临床医生的工作强度。在手术过程中，医生虽然全程参与救治，但直接与患者接触的却是机器人，机器人尚不具备人类的情感和“自主意识”，只是单一执行人类给予的指令，这就意味着当机器人出现故障时可能会直接危害患者的生命[32]。

2.3 发展趋势

现有无创技术大多是基于人体自然腔道进行手术，限制因素较多，手术机器人系统在微创方面还有较长的路要走。目前常规的腔镜手术机器人一般需要2～4 个创口才能完成手术，最先进的达芬奇机器人系统仅需要一个创口[33]，在后续发展过程中会继续朝着微创甚至无创的方向前进。纳米机器人技术的出现将使无创手术大范围普及成为可能，目前已有科学团队开启纳米机器人对癌症治疗的试验阶段，通过DNA 折纸技术将治疗癌症的药物通过纳米机器人运输到病变区域从而达到杀死癌细胞的目的，实验结果表明杀死癌细胞的成功率比传统药物治疗的效果更好[34-35]。微型化、微创化将会是手术机器人发展的一个方向。此外，现有手术机器人系统的成像系统与人体实际组织匹配精度尚不完善，尤其是在人体的软组织方面进行空间匹配耗时较长、难度较高，需要运用先进的图像分割、重建设备进行精准匹配[36]，手术机器人系统与超声、磁共振等成像方法相结合会是未来的重要发展方向之一。最后，临床医生在手术过程中通常会通过触诊来判断，而医疗机器人从诞生起就缺乏力触觉反馈装置，增加了临床医生在救治过程中的风险，限制了医疗机器人的进一步发展[37]，这将是医疗机器人在后续发展过程中需要考虑的重要因素之一。

3 总结与展望

医疗机器人在现代医学中扮演着越来越重要的角色，它的出现极大程度提高手术成功率，降低医疗工作者的劳动强度，加快患者术后康复进度，提升患者的生活质量。在未来，医疗机器人会随着科技的进步得到进一步发展，在不违背“机器人准则”的情况下获得更多的“自主权”，更好地服务人类。随着医疗机器人技术的不断发展，机器人在某些方面的性能可能会超过人类的极限，当医疗机器人技术高度成熟时有望“自主”完成一部分医疗救治；其次，医疗机器人将具备更高的协作能力、可靠性能、集成化程度，在人机交互方面会实现触觉、视觉方面的交互反馈，使临床交互更快捷且自然。综上所述，手术机器人系统的引入极大地推进了现代医疗的发展，对人类有着重要意义，但在运用尖端医疗技术时不能忽视其带来的伦理风险，应尽早制定好行业规范来应对可能发生的风险，认识到一切先进医疗技术必须坚持服务于人类，对医疗行业发展起到积极正面的促进作用。