手術(shù)機(jī)器人近年來在科學(xué)、產(chǎn)業(yè)及醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)展迅速，從臨床到研究均獲得廣泛關(guān)注。尤其是近期的醫(yī)工結(jié)合發(fā)展，促使其智能化水平顯著提升，這里著重對近年來在ScienceRobotics、Science Translational Medicine、IEEETransactions on Robotics、Head& Neck等期刊上涉及的手術(shù)機(jī)器人智能技術(shù)研究進(jìn)行了討論，拋磚引玉。
1.單孔手術(shù)機(jī)器人的臨床評價
2019年3月15日，IntuitiveSurgical(ISRG)宣布，該公司Da Vinci SP型手術(shù)機(jī)器人的經(jīng)口耳鼻喉科手術(shù)獲得FDA批準(zhǔn)，成為該型適用的第二類手術(shù)。盡管daVinci SP手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)已問世，但很少有資料能指導(dǎo)面對新技術(shù)的外科醫(yī)生。此外，daVinci SP的結(jié)果還沒有直接與目前廣泛使用的da Vinci Si系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行比較。梅奧診所醫(yī)學(xué)院[1]將daVinci SP機(jī)器人用于經(jīng)口入路治療口咽癌（OPSCCs），統(tǒng)計了一年的手術(shù)結(jié)果，并將其與daVinci Si機(jī)器人的手術(shù)結(jié)果進(jìn)行了比較。
da Vinci SP手術(shù)機(jī)器人通過單孔將靈活的內(nèi)窺鏡和器械臂置入喉部和下咽部的手術(shù)部位，并且與一個口腔牽開器相配合，擴(kuò)大了TOR手術(shù)中外科醫(yī)生和助手的工作空間，從而改善了上呼吸道的進(jìn)入和可視化操作。在相關(guān)實踐過程中，daVinci SP機(jī)器人系統(tǒng)在大規(guī)模TOR中表現(xiàn)良好，無與機(jī)器人平臺直接相關(guān)的并發(fā)癥，說明SP成為了治療上呼吸道腫瘤的安全手術(shù)器械。盡管新系統(tǒng)帶來了額外的技術(shù)挑戰(zhàn)，但對于有經(jīng)驗的TOR手術(shù)外科醫(yī)生，SP的總體學(xué)習(xí)曲線短。與使用Si系統(tǒng)治療的OPSCC患者的群體數(shù)據(jù)相比，作者發(fā)現(xiàn)兩者在總手術(shù)時間、機(jī)器人控制時間以及術(shù)后出血率方面沒有差異。隨著SP漸漸融入日常實踐，需要正規(guī)的培訓(xùn)計劃來確保醫(yī)生安全高效地過渡到SP平臺。

作者在一個TOR操作中心進(jìn)行了回顧研究，包括從2018年10月至2019年9月接受TOR單孔手術(shù)的所有患者。將SP-OPSCC結(jié)果與Si-OPSCC患者的所有歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。其中，78例患者接受了SP手術(shù)治療，出血率5.1%，死亡率2.6%，轉(zhuǎn)化率0%，與daVinci Si組相比，進(jìn)行TORS-SP手術(shù)的OPSCC患者手術(shù)時間和術(shù)后出血方面無顯著性差異（P>0.05）。

2. 手術(shù)機(jī)器人的靈巧化

雖然機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)提高了微創(chuàng)腹部、腦外科、骨科、介入科等手術(shù)的性能，但其適應(yīng)更精細(xì)、更迂回、多通道的區(qū)域仍然具有很大的挑戰(zhàn)，并且某些手術(shù)仍然必須使用更具侵襲性的方式進(jìn)行。因此，類似手術(shù)場景要求機(jī)器人具有體積小、柔性強(qiáng)，能通過非線性路徑到達(dá)難以進(jìn)入的手術(shù)部位，靈活完成手術(shù)任務(wù)。連續(xù)體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與由關(guān)節(jié)連接的離散剛性連桿組成的傳統(tǒng)機(jī)器人有著根本性區(qū)別。當(dāng)關(guān)節(jié)的數(shù)量接近無窮大（而連接長度接近于零）時，機(jī)器人就可被稱為連續(xù)體機(jī)器人。雖然第一個連續(xù)機(jī)器人是在近50年前創(chuàng)建的，但醫(yī)學(xué)應(yīng)用顯然是過去十年來連續(xù)機(jī)器人研究的主要驅(qū)動因素之一。從醫(yī)學(xué)的角度來看，連續(xù)機(jī)器人的小尺寸和順應(yīng)性是有利的，但對傳感、控制和人機(jī)交互提出了很高的要求。
Choset[2]總結(jié)了連續(xù)體機(jī)器人應(yīng)用于外科手術(shù)的重要研究。作者調(diào)查了醫(yī)學(xué)應(yīng)用中連續(xù)機(jī)器人研究的核心技術(shù)，包括特定醫(yī)療問題的設(shè)計、建模、控制、傳感和應(yīng)用方面的實質(zhì)性進(jìn)展。同時，概述了在臨床方面商業(yè)化或相對較先進(jìn)的手術(shù)系統(tǒng)。作者介紹了兩個已經(jīng)獲得FDA批準(zhǔn)的連續(xù)體機(jī)器人應(yīng)用：遠(yuǎn)程操作的連續(xù)機(jī)器人系統(tǒng)（HansenMedical Inc.和StereotaxisInc.）和超冗余系統(tǒng)（Medrobotics Inc.）。連續(xù)體因為可提供侵入性較小的通路和操作，將越來越有利于外科醫(yī)生和患者。

3. 遙操作手術(shù)機(jī)器人的自動化

自動化是手術(shù)機(jī)器人的重要發(fā)展方向，在醫(yī)療領(lǐng)域由于其特殊性目前自動化的程度相對于工業(yè)、服務(wù)以及特種領(lǐng)域均較低。目前機(jī)器人輔助手術(shù)（RASs）的模式完全取決于單個外科醫(yī)生的手動能力。自動機(jī)器人手術(shù)可以保證手術(shù)效率和安全性的提高，并改善優(yōu)化手術(shù)技術(shù)。由于技術(shù)上的限制，涉及軟組織的手術(shù)尚未獨立進(jìn)行，包括缺乏能夠在動態(tài)手術(shù)環(huán)境中識別和跟蹤目標(biāo)組織的視覺系統(tǒng)，以及缺乏能夠執(zhí)行復(fù)雜手術(shù)任務(wù)的智能算法。美國約翰霍普金斯大學(xué)[3]通過增強(qiáng)視覺、靈巧性和互補(bǔ)的機(jī)器智能來改善手術(shù)效果、安全性，實現(xiàn)軟組織變形的自動跟蹤、監(jiān)測以及吻合。通過實驗證明，自主機(jī)器人可以提高手術(shù)的效率、一致性、功能結(jié)果和可行性。
作者認(rèn)為，具有自主性的手術(shù)機(jī)器人不是為了取代外科醫(yī)生，而是提高醫(yī)生的能力。目前遠(yuǎn)程手術(shù)的模式完全取決于每個手術(shù)醫(yī)生的能力。由于自主機(jī)器人手術(shù)可預(yù)測性強(qiáng)，目前只適用于具有剛性結(jié)構(gòu)的解剖，如骨骼切割。而下一步，在軟組織手術(shù)中將自主規(guī)劃和機(jī)器人遙操作相結(jié)合，可最大限度地減少了技術(shù)不確定性，與純?nèi)斯な中g(shù)或者自動機(jī)器人手術(shù)方法相比可能會獲得更好的結(jié)果。外科醫(yī)生和機(jī)器人之間的這種交互式自適應(yīng)決策展示了未來機(jī)器人手術(shù)的新范例。

4. 影像引導(dǎo)手術(shù)機(jī)器人的自主化

為提升介入手術(shù)的智能化、自主化，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院[4]從趨觸性的昆蟲中獲得靈感，研發(fā)了一種新型機(jī)器人導(dǎo)管。它可以在充滿血液的心臟中導(dǎo)航，這種導(dǎo)管使用混合觸覺、視覺的感知方法，使用圖像進(jìn)行基于觸摸的表面識別和力傳感，以完成充滿血液的心臟內(nèi)壁跟蹤。觸覺視覺傳感器提供了導(dǎo)管尖端的高分辨率視圖，這正是壁跟蹤和設(shè)備部署所需的視圖。該傳感器與機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像處理算法相結(jié)合，使機(jī)器人能夠區(qū)分其接觸的物體并控制其接觸力。但在一些特殊、復(fù)雜的位置移動時，如：主動脈瓣環(huán)，成功率還有待提升。在未來，壁跟蹤自主導(dǎo)航可擴(kuò)展到許多微創(chuàng)手術(shù)，包括血管、氣道、胃腸道和腦心室系統(tǒng)的手術(shù)。
通過活體動物實驗，證明了在某些方面自主控制的機(jī)器人導(dǎo)管性能達(dá)到了臨床醫(yī)生的水平。自主導(dǎo)航是一種基本能力，在此基礎(chǔ)上可以建立更復(fù)雜的自主級別，例如執(zhí)行一個過程。與工業(yè)自動化的作用類似，這種能力可以使臨床醫(yī)生自由地專注于手術(shù)中的最關(guān)鍵方面，提高醫(yī)生經(jīng)驗和操作精度，減少重復(fù)疲勞。

5. 遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人的數(shù)字孿生技術(shù)

遠(yuǎn)程診療是手術(shù)機(jī)器人的重要發(fā)展方向。隨著5G、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人的進(jìn)一步應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。芬蘭科學(xué)家[5]利用數(shù)字孿生技術(shù)為遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人提供非常好的沉浸感和透明度。數(shù)字孿生（DT）的思想是通過一個單獨的接口，將與產(chǎn)品或過程相關(guān)的每個數(shù)據(jù)源和控制接口描述引入，便于自主探索和自動通信的建立。研究者利用一個機(jī)械臂和HTCvive虛擬現(xiàn)實（VR）系統(tǒng)組成主從端，通過移動網(wǎng)絡(luò)連接。在研究中，結(jié)合一個網(wǎng)絡(luò)操作模塊來測試網(wǎng)絡(luò)中斷和攻擊的影響，以此解決系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全問題。雖然系統(tǒng)的實際遠(yuǎn)程手術(shù)能力受到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能力和機(jī)器人反饋不足的限制，但是可以利用該系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程手術(shù)的模擬和研究。將來，患者和外科醫(yī)生也可能擁有自己的數(shù)字孿生，這將使系統(tǒng)能夠讀取歷史和實時的健康和性能數(shù)據(jù)。甚至在外科醫(yī)生進(jìn)入手術(shù)室之前，就可以計劃手術(shù)并檢查病人的健康記錄。

6. 手術(shù)機(jī)器人智能化發(fā)展與挑戰(zhàn)

在手術(shù)機(jī)器人邁向未來的過程中，仍面臨許多重大挑戰(zhàn)，Sciencerobotics[6]對該領(lǐng)域進(jìn)行了展望。外科和介入機(jī)器人技術(shù)的主要挑戰(zhàn)是更高自主程度系統(tǒng)的研發(fā)�，F(xiàn)有醫(yī)療機(jī)器人的自主能力仍然有限。在大多數(shù)情況下，機(jī)器人的貢獻(xiàn)是提高了外科醫(yī)生的技術(shù)水平。例如，IntuitiveSurgical公司的 da Vinci手術(shù)機(jī)器人系列產(chǎn)品使腹腔鏡檢查變得容易;Stryker的Mako機(jī)器人手臂通過比外科醫(yī)生更精確的骨骼鉆孔技術(shù)來增強(qiáng)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換功能。在這兩個例子中，機(jī)器人相當(dāng)于外科醫(yī)生手的延伸，故其運(yùn)動必須受到外科醫(yī)生的控制。之前研究的Robodoc系統(tǒng)與前者有所不同，它會根據(jù)醫(yī)療圖像執(zhí)行預(yù)先計算和經(jīng)外科醫(yī)生批準(zhǔn)的手術(shù)路徑。盡管這些系統(tǒng)在將外科醫(yī)生的意圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器人執(zhí)行器的實際動作時，都有一定程度的“自主性”。但是當(dāng)控制器需要做出更復(fù)雜的行為來表現(xiàn)臨床醫(yī)生的決策時，現(xiàn)有技術(shù)并不能滿足。因此，在滿足相應(yīng)的監(jiān)管和倫理條件的前提下，醫(yī)療機(jī)器人的自主性技術(shù)發(fā)展將逐步推進(jìn)。例如，心臟介入治療包括利用術(shù)前和術(shù)中影像的結(jié)合，從外周血管的經(jīng)皮入路導(dǎo)航到心臟內(nèi)的特定位置。而目前基于圖像的機(jī)器人導(dǎo)航理論已經(jīng)很成熟，因此開發(fā)安全的導(dǎo)航算法是可行的。隨著心臟介入裝置(如經(jīng)導(dǎo)管瓣膜)臨床經(jīng)驗的增加，這些裝置的部署可能會變得足夠標(biāo)準(zhǔn)化，從而實現(xiàn)自動化部署。機(jī)器人做到臨床任務(wù)自動化的最大挑戰(zhàn)是要能夠預(yù)測、檢測和響應(yīng)所有可能的緊急情況
可植入的機(jī)器人能取代、恢復(fù)或增強(qiáng)相關(guān)生理過程，是一個新興領(lǐng)域，也是目前手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域面臨的又一重大挑戰(zhàn)。為了推動這一領(lǐng)域的發(fā)展，必須提高機(jī)器人的生物相容性、可靠性、適應(yīng)性、安全性和供電能力。為了維持長期的功能，充分的生物相容性是很重要的。此外，對于那些提供臨時生理支持的植入物，設(shè)計成可吸收的植入物可以避免移除裝置的手術(shù)需要。植入物的設(shè)計還必須能對變化的情況做出反應(yīng)，比如運(yùn)動。值得一提的是，雖然遠(yuǎn)程編程提供軟件更新是有利的，但保障安全才是至關(guān)重要的，因此要防止一個人的器官被黑客攻擊。最后，由于與起搏器等設(shè)備相比，機(jī)器人設(shè)備的功率要求較高，因此較高的無線功率傳輸能力至關(guān)重要。
手術(shù)機(jī)器人另一個新興方向是微納機(jī)器人。相關(guān)研究人員已經(jīng)創(chuàng)造了能夠在液體環(huán)境中移動的小型設(shè)備。雖然一些設(shè)備已經(jīng)功能化，但這個領(lǐng)域仍然面臨著許多重大挑戰(zhàn)，比如：生物可降解和非細(xì)胞毒性的微機(jī)器人的開發(fā)、能夠自我定向靶向的自主設(shè)備的開發(fā)、基于導(dǎo)管的微機(jī)器人在目標(biāo)附近的傳遞、在體內(nèi)對大量設(shè)備的跟蹤和控制等。

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