手术机器人发展史

——《医学史》课程论文

摘要：随着科学技术的发展，特别是计算机自动化控制技术的发展，手术机器人开始协助医生进行外科手术。本文将介绍手术机器人的发展历史、优缺点、国内外现状等。

关键词：手术机器人的历史 达芬奇系统 优缺点 最新研究

正文：

维也纳外科医生Billroth首次打开病人腹腔完成首例外科手术是18世纪80年代；经过约两个世纪的发展，20世纪80年代，以腹腔镜胆囊切除术为标志的微创手术取得突破性进展，在很多领域取代了传统手术刀；再到21世纪，手术机器人已经得到开发并迅速投入临床应用：1985年，外科医生首次使用能自主定位的立体定向装置（Puma560）来完成脑组织活检；1991年；骨科机器人（Robodoc）被用于辅助完成全髋关节的置换手术；1996年诞生世界上远程手术工作站，可允许医生在异地通过微波通讯来完成可移动部队医院的手术……但是这些医疗机器人系统都不能称为真正的机器人，因为尚不能自主地完成任务，更准确的称呼应该是“机器人辅助装置”。

2000年，美国食品药品管理局（FDA）批准达芬奇系统成为美国第一个可在手术室使用的机器人系统。达芬奇是目前最先进的人工智能外科机器人系统，近年来广泛用于泌尿外科、普外科、整形外科和心胸外科。可以说达芬奇系统是手术机器人发展史上重要成就，从某一方面也预示着第三代外科手术时代的来临，或者说其本身就是第三次外科手术时代的标志性成就。

达芬奇手术机器人系统有三个基本部分组成：一个控制台、一个装配双光源/双3晶片摄像机的成像车和一个装有三个机械臂的可移动操作车。在手术机器人工作时，手术医生通过主控台观察并发出指令；移动平台在患者身边，它伸出的4个操作臂，与病人身体“亲密接触”，虽然它的4只机械手臂显得很庞大，却可以将病人体内绿豆大小的胆结石精确地取出来。三维成像视频影像平台是一个高大的视频车，它负责将手术视野放大、成像，在手术室内的多个屏幕上做“现场直播”，医生在屏幕上看到的影像，就如同电影“阿凡达”一样，是三维立体成像。

宙斯手术机器人系统由一个控制台和三条独立的机器人臂组成。左右两条机械臂可操作4mm的手术器械，中间机械臂是AESOP声控摄像臂。该系统的手术器械有两种：传统的长直杆抢镜手术器械、带一个关节腕的手术器械（具有6个方向的自由度）。外科医生坐在操作台前，观看电视屏幕，操作者符合人体工程设计、具有最大灵巧性和舒适度的两个卵形控制起来控制机械臂完成手术。

简单理解，可知无论是达芬奇、宙斯还是伊索，这些手术机器人是由控制系统部分、成像部分、机械臂操作部分、显示器组成的。机器人大致是通过将小型甚至微型摄像装置放入病人体内，然后通过计算机处理图像，在医生观察分析之后通过操作机械臂来间接完成手术。所以说，机器人也是一种手术工具，只不过是一种综合的、涵盖各种功能而且功能更强大的工具。由于是计算机的参与，它与之前的手术工具相比具有超越性的优势：

优势基本上可以从两个方面来看，一、机器人对于手术过程以及效果的优化；二、“是机器人而不是人”，也就是说机器人突破了人在这个过程中的不足及极限。

首先，机械臂进入身体内操作所需切口甚小，这就实现了微创手术，进一步来说，在医学上，这有利于伤口的愈合以及病人的术后康复，另一方面，使手术后对皮肤美观的影响大大减小，这也是以人为本的一种体现。其次，通过摄像装置拍摄图像，传回计算机处理，形成三D效果，可根据需要进行进一步放大、分割、膨胀等处理，更有利于医生进行手术部位分析；另一方面，计算机成像也突破了人眼的极限，更不受局限地获得实际发病部位的真实情况，为更好的分析以及更好的进行手术都打下基础。然后，通过计算机指令进行机械臂操作，就能实现更精确地定位、更快速准确的操作，也避免因为人手的颤抖或是疲劳引起的多余操作甚至是错误操作。当然，机器人在某种程度上大大减少了一台手术所需人力的投入；机器人辅助医生来进行手术，就避免了医生受手术辐射和感染的影响……

但是，手术机器人的研发所带来的影响应该是革命性的，不仅仅是对待一台手术，更应该是对手术方式的改变。一、为远程手术带来了可能，甚至已经实现。这起码可以改变以后人们做外科手术的方式。二、机器人大大增强了手术的灵活性。机器人机械手的设计已经越来越灵活，甚至比人手还要适合完成某种手术动作。另外以此为基础的各种机器人的研发增加了手术的可能性，以前不能因为设备局限很难进行的手术，现在会因为机器人而能够进行。比如说，纳米机器人的发明，使更多微型的手术实现，再加上机器人的精确性，可以说是无处不可以手术。

当然，也正是因为是机器人而不是人。手术机器人存在一定不足之处：一、非常重要的一点就是，手术机器人无触觉反馈，尽管现在传感器技术非常先进，但是机器毕竟是机器。这样在手术过程中，机器人机械手缺乏应力的反馈，导致容易抓破易碎的组织和不能感觉所打结的松紧度。二、就是手术机器人的人眼配合，即图像的得到以及操作指令的发出与实际完成均有延时性。主刀医生操纵机器臂的传输信号与机器人做出相应反应之间存在时间差，同时医生看到反馈电视画面

也存在时间差。由于手术对向是生命，所以很多缺点都有可能是致命的。三、现在来说，手术机器人的使用成本昂贵，体现在购置费用高、手术成本高、维修费用高。另外，优越治疗效果的论证亦尚需技术的提高和大宗病例的积累。

目前医疗机器人在国内外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一。二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划(IARP)、美国国防高级研究计划局（DARPA）、欧盟、法国国家科学研究中心等都分别对于各自需要领域对医疗机器人进行了研究，或是开展基于遥控操作的外科研究，用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学；或是机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统。

最近的消息是，2011年12月27日，欧委会在首届《欧洲机器人周》宣布，由欧盟第七研发框架计划自主的机器人研发项目ROBOCAST在嵌入式脑外科手术机器人的研究上取得突破性进展。新型机器人主要有两大突破点：一是具有13项类型操作自由度，大大高于微创脑外科手术人工操作4项自由度；二是具有创口小、伤痛轻的“快速返回”和“修复功能”。

而国内首台微创外科手术机器人“妙手A”（McroHandA）系统2011年7月3日在天津大学通过了天津市科委主持的成果鉴定。这是国内首次研制成功具有自主知识产权的微创外科手术机器人，打破了国外同类产品的技术垄断。“妙手A”系统面向腹腔微创手术，拥有多项技术创新和发明。如首次设计完成四自由度小型手术工具，可适应微创手术需求，并可完成复杂的缝合打结运动操作；采用多自由度丝传动技术，实现主、从操作手本体轻量化设计；基于异构空间映射模型，实现主从遥操作控制；设计机器人系统与人体软组织变形仿真环境，实现主从操作虚拟力反馈与手术规划；采用双路平面正交偏振影像分光法，研制成功微创外科手术机器人三维立体视觉系统。

总而言之就是说手术机器人在国内都是关注热点领域，其中涉及到医学、生物力学、机械力学，当然还有材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析以及机器人等各个学科的综合知识。更需要综合各个领域人才共同努力完成。

我们期待手术机器人在医疗手术中发挥更大作用，为人类对抗疾病做出贡献，同时也希望对机器人的研究更加深入，使其各方面性能更高。

参考文献：

《自动化技术在外科手术中的应用》 付礼霞 张国栋 1994—2010China Academic Journal Electronic Publishing House

《手术机器人的发展与现状》 郭跃华 周汉新 中华科技杂志2005年1月第43卷第1期

《腹腔镜机器人手术》 汪涌

《手术机器人》 百度文库

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