我国创全球首台内置马达与力度反馈手术机器人系统

编者按： 当我们谈论外科手术机器人，业内人士第一反应往往会是达芬奇。文艺复兴时期的意大利博学者列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci），他对人类解剖学的研究贡献，为机器人科学奠定了坚实的基础。但我们谈论的并不是他。

美国直觉外科公司（Intuitive Surgical）为致敬大师将它的外科手术机器人系统命名为达芬奇机器人（DaVinci Surgical System），它是当今全球手术机器人市场最大赢家。在中国，几乎所有公立、民营医院所应用的机器人基本全靠进口，据供应商统计，从2006年第一台达芬奇手术机器人落户国内开始，截至2015年12月，分布在全国各地的数十台达芬奇手术机器人在去年共完成手术11445例，历年总计完成手术22917例。在美国，2007至2013年间更有多达170万名病人进行了机器人手术。

近期的技术发布带来消息，达芬奇机器人的垄断性优势可能被撼动，原因是来自中国的挑战。

香港理工大学已成功研发了全球首台内置马达外科手术专用机器人系统（NSRS，Novel Surgical Robotic System），这项研究借助了香港大学李嘉诚医学院的外科临床经验，并已成功应用于动物试验。该技术预计两年后进入临床测试，最快将于2019年推向市场。  

自2012年起，香港理工大学工业及系统工程学系副主任，容启亮教授领导的资深工程师团队接受邀请，以工程专家伙伴身份研发新系统。借着容教授在航天精密仪器方面的专业知识，以及香港大学李嘉诚医学院外科学系名誉临床教授杨重光教授丰富的机械人外科手术经验，研发团队最近完成了此项突破。

采用内置马达驱动机械臂的手术系统，可经由单一切口或自然腔道（无切口）进入人体进行各类腹腔或盆腔手术。系统运作精确，并能提供良好力度反馈，为微创外科手术领域开创了新的一页。此项创新研发项目由香港无创外科有限公司（NISI）发起，并同香港特别行政区政府创新科技署联合赞助共计港币2500万元。

机器人如何辅助手术

医疗机器人，是指用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人，是一种智能型服务机器人。医用机器人种类很多，按照其用途不同通常分为临床医疗用机器人（包括外科手术机器人和诊断与治疗机器人）、医用教学机器人、护理机器人、康复机器人等。其中手术机器人能够借助计算机控制技术，施行靶点定位、药物注入、损毁病灶等手术任务。

外科手术机器人功能模块

当下手术机器人主要的功能模块如上图所示。中间模块是最为核心的软件开发部分，包含图像重构、空间配准和定位控制等；周围的硬件辅助设施如医学图像采集、机器人装置和定位装置需要与临床手术的空间要求完全契合；人机交互与显示则是与医生交互最为密集的部分，必须充分考虑手术需求和术者的使用场景。

领航者——达芬奇外科手术机器人系统

手术机器人从二十世纪八十年代发展至今，商业化最成功的当属2001年美国公司直觉外科开发的达芬奇外科手术机器人系统，该系统可为医生提供同开放式手术一样的直觉控制、运动范围和组织处理能力，系统还具有自动纠错功能，能克服医生在操纵控制器时手臂的颤抖，避免出现错误操作。

达芬奇外科手术机器人系统

在达芬奇手术系统的辅助之下，外科医生可以通过一些微小切口进入人体进行复杂的手术操作。达芬奇系统由几个关键组件构成，包括：根据人体工程学设计的控制台、可控病床、交互式机器手、体内探测手腕（EndoWrist®）和三维高清视觉系统。

控制台的人体工程学设计可以让医生舒适地进行手术操作，降低因体力消耗导致的不准确性。显示屏下方的主控制手柄便于任意调节显示屏位置。而且系统可以将医生的操作实时精确地传递给手术器械。

病床位置也是实时可控的，三个或四个（根据系统型号差别略有不同）机械臂与病床连接，在系统控制下完成医生指示的动作。每次手术之前要进行系统例行安全检查。检查通过之后，仪器或机械手臂不会在医生的控制之外做任何独立动作。

体内探测手腕是达芬奇系统实现辅助微创手术的决定性技术，它可以为手术操作提供全方位的支持。该机构巧妙的设计使它具有七个自由度，运动范围比人的手腕更大。并能完成如夹紧、切割、凝固、解剖、缝合和移动组织等特定任务。

高清视觉系统配有高清晰度三维内窥镜（尖端具有光源与摄像头的柔性管）以及图像处理软件，它将在术中提供患者解剖结构的实时真实图像。并且该图像将同时传送到一个更大型的监视器上（称为远景车）以提供给整个医疗团队监督手术进程。

新技术有哪些革命性的突破

现有市场占有量最大的达芬奇Si型系统仍具有很大改进空间。最主要的问题在于 手术操作时缺乏力反馈 ，尚不能给术者带来触觉功能及高度的手术真实感。应建立高仿真度组织器官物理模型，以及基于解剖学人体组织特征的力反馈物理模型，从而提高手术的现实感。

其次，达芬奇系统 并非为经自然腔道 （或无切口）机械人手术程序而设计 。所以要求医生术中在病人身上开多个创口。术后恢复时间虽比普通手术短，但是还有优化的空间，以减轻患者的痛苦。

此外，还需要对机器人多个性能指标进行优化设计，以保证机器人满足任务工作空间要求的同时，改善目前医疗机器人的刚度和灵活性问题。为确保患者及医护人员的安全，医疗机器人应该建立更加完善的安全监控系统，对可能发生的异常情况，能够自主或半自主地激活安全防范措施。现在直觉外科公司所能做到的只有强调术前安全检查，还 没有足够的系统自主危险识别 ，这对医生的培训要求相当高。

针对以上弱点（主要是前两个问题），香港理工大学与香港大学李嘉诚医学院协力开发的NSRS外科机器人系统，与现时需要在腹部开多个切口（３至６个）的达芬奇系统相比， NSRS可经由单一切口或自然腔道进入人体 （无切口），功能覆盖各类腹腔或盆腔手术。基于机械臂内的微型马达处于接近末端执行器（手术工具）的位置，机械臂不单能执行高精确度的动作，还能提供 高敏感度的触觉或力度反馈 。NSRS是全球首个配备了 内置马达 ，能够以细小的体积产生足够力度，以施行各种体内手术的外科手术机器人系统，为从现有微创外科手术向无创手术的领域踏出了重要一步。

该研究项目主导教授、香港理工大学工业及系统工程学系副主任容启亮教授，曾研发多项克服极端环境的太空探索工具。人体内的环境限制是又湿又热，他利用发展航天技术的经验，研发出抗热、灵活且有力的机械手。他表示，新机械手最具突破性的特征是“做到既精细又有力”，外国不少专家能发明细小的机械手，但往往不足力提起或剪开器官，而此次研发的机械手基于空间技术，在结构中预留更多位置，内置航天用强力马达，令机械手能提供足够的牵引力。

他还称，手术切口不能太大，因此提出将组件打散再在体内重组。为增加扭力及灵敏度，一支机械手中内置4个马达，位置均接近关节，令整体具有多达10个自由度（达芬奇Si型具有7个自由度）。医生操作达芬奇系统时，若力量太大会伤害内脏，而它不具备力度反馈功能，所以类似风险因素较高。容教授研究团队设计的系统会计算马达的使用电流，以计算出使用的力度，再传到控制手柄反馈给医生。

研究团队一再强调的内置马达相比达芬奇系统的决定性优势在哪呢？

举一个不够恰当但是比较直观的例子，这就像没有轨道的儿童玩具小火车。当我们想让这个小火车穿过窄门或者隧道，从后推就是达芬奇系统运用的方式。它试图运用十分精细的机械结构，实时校正火车头的位置和朝向，使之准确穿过目标。

而内置马达就像是我们从窄门另一端或是从隧道中引出一根细线，拴住火车头，从前端将整列小火车拉过目标。这就提供了更高的灵活性。由于NSRS系统还未进行临床实验，我们不能断定它是否具有比之达芬奇系统更高的精确度，但是仅从驱动概念来看，容教授团队是下足了功夫的。

 项目核心成员港大医学院外科学系临床教授罗伟伦操作动物实验

自去年12月以来，NSRS原型已在港大李嘉诚医学院外科学系外科技术培训中心连续三次成功完成动物外科手术试验。而最近一次在今年２月３日进行的试验，更成功在一小时内完成活猪胆囊切除手术，结果令人鼓舞。

项目发起人、香港大学李嘉诚学院外科学系名誉临床教授杨重光教授指出：“我们相信透过尖端技术与外科手术机械人平台的整合，能够使未来的机械人手术更安全，更少创伤，从而为病患者提供更好的护理。”罗教授补充说：“我们会继续在动物模型和人类遗体上，以单切口和经自然腔道的方式为新系统进行更复杂的手术程序测试。我们的目标是在不久的将来应用此系统，在病人身上进行各类的机械人手术。”

香港理工大学校长唐伟章教授说：“理大对研发各类深空探测任务中所需的创新精密仪器具丰富经验。我们的跨学科团队极具创意地揉合了物料的特性、设计、和机械电子的元素；制作出了体积较小、重量较轻但极为精准的仪器。我们的下一个挑战是 把这些航天技术转化成为民用技术 。”

容教授指出：“NSRS的研发显然是一个航天技术的应用例子。我们很高兴理大此项创新的工程研发，能够为微创外科手术领域开创新的一页，为病人带来更大的福祉。”

国内手术机器人行业现状与未来

目前一个不得不正视的现实是，国内几乎所有公立、民营医院所应用的机器人基本全靠达芬奇。前文提到，从2006年第一台达芬奇手术机器人落户国内开始，截至2015年12月，分布在全国各地的数十台达芬奇手术机器人在去年共完成手术11445例，历年总计完成手术22917例。

针对行业自主研发的巨大缺口，中南大学湘雅三医院副院长朱晒红教授说：“目前，中国尚未建立机器人手术的国家标准，要形成真正的国产品牌，还要经历很长时间。” 带领团队牵头制定了《脊柱外科计算机导航技术标准》的田伟表示，高新技术行业标准必须提早制定。“越是难度高的手术，越需要行业标准。这样才能做好产、学、研、医的政策衔接。”

手术机器人在临床的应用还面临一系列政策障碍。有专家表示，手术机器人收费昂贵，手术费用如何报销等问题也需要研究。建议提高机器人手术的报销额度，这并不会过分增加医保负担，“因为用机器人做手术，手术创伤更小，出血量更少，可以缩短康复时间，虽然手术费用增加了，但康复期间的费用减少了”。

北京大学口腔医院颌面外科手术机器人技术研究带头人郭传瑸教授说，在实际应用中，手术机器人系统仍面临落地难的考验。“目前，他主导研究的机器人辅助手术系统只完成了动物实验，一时难以应用在人身上。而且由于申报手续太过复杂等原因，样机完成后项目一直没有落地。”

他还推测，“手术机器人临床应用近几年不会有太大进展，尤其是自主研发的机器人。目前研发的非常多，但基本没有推广到临床。” 田伟也表示，受限于设备数量、操作者资质等因素，我国要真正迎来机器人手术时代，还有很长一段路要走。

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