医疗机器人发展概况综述

文章编号:1002-0446(2003)02-0182-06医疗机器人发展概况综述杜志江孙立宁富历新(哈尔滨工业大学机器人研究所哈尔滨150001)摘要:近年来,医疗机器人成为机器人领域研究热点之一.本文详细介绍了外科手术机器人~康复机器人~医院服务机器人等在国内外的研究及应用现状,并探讨了今后的发展方向.关键词:外科手术机器人;康复机器人;医院服务机器人;生物机器人;纳米机器人中图分类号:TP24文献标识码:BAN OVERVIEW OF MEDICAL ROBOTSU hi-jiang SUN Li-ning FU Li-xin(RoZot ResearCh Institute,HarZin Institute of teChnology,HarZin,150001)Abstract:Medical robotics has played an increasingly important role in the recent decade in robotics field.An overview of the surgical robot,rehabilitative robot and hospital serve robot at home and abroad are offered here, and relevant tendencies are also referred to.Keywo r d s:surgical robot,rehabilitative robot,hospital serveing robot,bio-robot,nano-robot1引言(I n tr odu ct ion)医疗机器人技术是集医学~生物力学~机械学~机械力学~材料学~计算机图形学~计算机视觉~数学分析~机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域,已经成为国际机器人领域的一个研究热点.目前,先进机器人技术在医疗外科手术规划模拟~微损伤精确定位操作~无损伤诊断与检测~新型手术医学治疗方法等方面得到了广泛的应用,这不仅促进了传统医学的革命,也带动了新技术~新理论的发展[1,2].本文详细介绍了国内外有关医疗机器人的开发及应用现状,并探讨了今后的发展方向.2国内外研究现状(R e s e arc h stat u s at homea nd abr o a d)近年来,西方许多先进国家都进行专门立项投资,积极开展医用机器人方面的研究.如美国国防部开展了Telepresence Surgery(临场感手术)技术研究,用于战场模拟~手术培训和解剖教学,NASA已经在美国加州与意大利米兰之间进行了这方面的试验.欧共体技术专家Maurice在IEEE SP EC T R UM期刊中表示,欧共体正在制定一项新的计划,其中将机器人辅助外科手术及虚拟医疗技术仿真作为重点研究发展计划之一.日本也制定国家计划开展高技术医疗器械研究发展.许多著名的国际会议,象IEEE R obotics and Automation,IEEE E ng.I n Medicine and Biology Society,IEEE System,Manand C ybernetics等都将医用机器人与计算机辅助外科单独列为一个专题,在欧洲~美国~日本等国多次召开国际会议;1996年,机器人工业协会将E ngel-berger最高荣誉奖授予了W.Barger和H.Paul博士,表彰他们在医用机器人技术临床研究方面的贡献[3,4].目前,医疗机器人的研制主要集中在外科手术~康复和医院服务机器人系统等几个方面.2.1外科手术机器人研究现状瑞士洛桑大学研制出一种脑外科手术机器人,手术时患者的头部被固定在一个钢制框架内,医生第25卷第2期2003年3月机器人ROBOT V ol.25,No.2March,2003基金项目:863项目资助(2002AA420100-1).收稿日期:2002-09-03通过CT观察病人颅内情况并将有关的手术数据输入到控制机器人的计算机中.计算机自动识别脑中的病灶并规划出通往病灶的途径根据医生的指令完成病人头部的皮肤切开~在头盖骨上钻孔~刺穿脑膜等工作微型仪器从2毫米粗的导管中伸入到病变部位进行手术.这台机器人系统能切除脑肿瘤~能用放射性光束杀死脑中的癌细胞还能用导管破坏帕金森病患者脑中的有病细胞从而制止病人的颤抖{6].1986年美国IBM的Thomas J.Watson研究中心和加利福尼亚大学的研究人员开始合作开发一种创新的系统以便进行髋骨整体置换手术.在此基础上1992年成立了Integrated Surgical Systems公司并推出了ROBODOC机器人系统它是在传统工业机器人技术基础上开发而成的可以完成全髋骨替换髋骨置换及修复和膝关节置换等手术.相应的该公司还开发了ORTHODOC图像处理系统根据CT图片进行3D建模和手术规划为手术提供所有需要的数据帮助医生完成监控和虚拟手术.该系统已经通过美国食品与药品检验局(FDA D认证在美国~欧洲~中东~亚洲等地得到应用.图1为OR-THODOC和ROBODOC机器人系统.图1ORTHODOC和ROBODOC系统Fig.1ORTHODOC and ROBODOC system1994年美国Computer Motion公司研制成功AESOP-1000型手术机器人{6].AESOP系统延承了介入手术减轻患者痛苦和损伤~康复快和花销低的特点模仿人手臂的功能并取消了对辅助人员手动控制内窥镜的需要提供比人为控制更精确~更一致的镜头运动为医生提供直接~稳定的手术视野.在此基础上Computer Motion公司分别于1996年11月和1998年1月研制成功世界上第一台用语音控制的AESOP-2000型外科手术机器人和第一台具有7个自由度的AESOP-3000型外科手术机器人.图2为AESOP外科手术机器人.图2AESOP外科手术机器人Fig.2AESOP surgeical robot system1996年初Computer Motion公司利用研制AESOP系列机器人积累的在计算机和机器人方面的关键技术开发出功能强大的视觉系统推出了ZEUS机器人外科手术系统用于微创伤手术{6].这个系统让外科医生突破了传统微创伤手术的界限将手术精度和水平提高到新的高度大大降低了病人的痛苦~手术创伤和手术费用缩短了康复时间同时也减轻了医生的疲劳强度.ZEUS系统采用主从遥操作技术分为两个子系统Surgeon-side系统和Patient-side系统Surgeon-side系统由一对主手和监视器构成.在此医生可以坐着操纵主手手柄并通过控制台上的显示器观看由内窥镜拍摄的患者体内情况.Patient-side由用于定位的两个机器人手臂和一个控制内窥镜位置的机器人手臂组成整个系统如图3所示.图3ZEUS外科手术机器人Fig.3ZEUS surgical robot system从手的每个手臂具有6+1个自由度其中6个用于姿态调整另外一个用于位置优化.在6个姿态控制自由度中4个由电机驱动另外两个无动力.通381第26卷第2期杜志江等:医疗机器人发展概况综述过ZEUS系统,医生可以在舒适的工作环境下操纵主手动作,并通过监视器实时监视手术的过程;在手术地点,从手忠实地模拟并按比例缩放医生用主手操作的动作,完成手术.著名的林白手术就是通过ZEUS系统完成的.2OOO年1月9日,美国Intuitive Surgical公司成功开发出Da vinci(达芬奇D外科手术机器人系统,它是目前为数不多的商品化的使用技术之一.它包括一个医生控制平台~多功能手术床~各种手术器械和图像处理设备.手术医生在控制台上通过主手(复制医生的运动D操作机器人动作,通过脚踏板来控制高质量的视觉系统.多功能手术床包括2个机器人手臂和一个内窥镜挟持手臂.为避免损伤患者微细组织和神经,内窥镜手臂在手术切口1cm上回转.图4为医生应用Da vinci外科手术机器人系统进行心脏手术.图4Da vinci外科手术机器人系统Fig.4Da vinci surgical robot systemIntuitive Surgical公司还开发了一套完整的具有7个自由度的手术器械Endo wrist,能灵活的模拟人手腕的运动,每种器械具有不同的用途,例如夹钳~缝合和组织处理等.高精度的3D内窥镜和图像处理设备为医生提供术野内象开放式手术一样真实的3D图像,并通过图像同步荧光装置来增强和优化.Da vinci系统可以为医生提供和开放式手术一样的直觉控制~运动范围和组织处理能力,医生可以在别的房间甚至其它医院进行远程控制机械手实施修复心脏瓣膜等多种精密手术.如果医生在操纵控制杆时手臂发生颤抖,系统会自动纠错,避免出现误操作.此外,机械臂还能完成一些人手无法完成的极为精细的动作,手术切口也可以开得很小,从而缩短患者在手术后恢复的时间,同时还可以提高手术效率,节约费用.图5被动式外科手术机器人Fig.5Passive surgical robot system在国内,由北京航空航天大学机器人研究所~清华大学计算机图形图像中心和海军总医院共同开发的遥操作远程医用机器人系统17],如图5所示.该系统主要由影像获取传输,虚拟手术规划~智能机械臂~病人头部(病灶D固定装置等部分组成,可以完成确定手术靶点~重建三维病灶轮廓~引导定位器械~定向手术系统等多个复杂步骤,治疗脑部纵深病变无需开颅.这一手术突破了传统脑外科手术的定式,病人头上不必再戴厚重的金属框架以辅助定位,病人造成的创伤面比传统手术小得多,定位也较传统手术精确.2.2康复机器人研究现状机器人用于康复领域包括助残和老人看护等,研究领域主要包括康复机械手~智能轮椅,以及家庭和单位之间的交互设备及智能控制界面等11].康复机械手的目的是通过机器人手臂完成残疾人的手臂功能.机械手必须具有足够的自由度以满足每个用户的需要,根据机器人技术的发展水平,一般具有以下三种结构.第一种是彻底结构化的控制平台,类似于桌面工作站,将机械手安装在固定的控制平台上,完成在固定工作空间内的操作,这种方法已经实用化,如早期法国CEA公司开发的MAS-TER系统,美国Tolfa Corporation开发的DEvAR 系统,以及英国Oxford Intelligent Machines开发的RAID系统等.第二种结构是将机械手安装在轮椅上,这样就可以在任何地域使用,但这导致了机械手刚性下降,抓取的精度往往达不到要求,而且这种方法只适合于那些可以用轮椅的人.如美国的MOvAR系统和意大利的URMAD系统等.第三种机构是将机械手安装在自主或半自主车辆上.日本东京大学的S.Tachi教授在MIT日本实481机器人2OO3年3月验室工作时开发了一个移动式康复机器人MEL-DOG,作为导盲狗.来自欧洲Scuola Superiore S.Anna技术实验室的一个研究小组在URMAD系统基础上开发了MOVAID系统,它由若干个固定的位于室内主要活动区域(如厨房和卧室D的工作站和一个可以在室内自由避障的移动机器人组成,操作者可以通过工作站的实时图形界面监控和干预机器人的动作,它可以帮助残疾人完成诸如用微波炉(专门研制的D加热食物~打扫厨房和清理床铺等工作,目前,该系统已经在意大利经过了实际的残疾人使用验证.一般来说,这种思路的系统一般由视觉~操作器~行走~传感器数据采集和系统控制等几部分组成.轮椅是下肢残疾和失去行走能力的老年人的主要交通工具,已由过去单纯依靠人力操作发展到现在的智能轮椅.各类传感器和高效的信息处理及控制技术在轮椅上的应用,使轮椅成为了高度自动化的智能移动机器人.几年前,Madarasz等人提出半自主导航轮椅,具有在办公室环境下运动的能力,可以进行从当前位置到建筑物内特殊室内的路径规划,系统同时装备最小碰撞功能,所有的传感器和限位装置都安装在轮椅上,一个监控系统负责高级的操作和导航,减轻残疾人的工作负担.在欧洲,目前致力于开发具有部分自主行为的轮椅,意大利的TGR S.R.L公司生产了一种结合轮椅与小车结构的智能轮椅,叫Explorer(在欧洲SPRINT-IMMEDIATE计划中修改为MANUS D,它不仅能在规则的地形下行走,而且可以上下楼梯.代表最新发展方向的是美国费城Pennsylvania大学的P.Wellman等人设计的智能轮椅,在这个设计里,一个移动的车辆上还包含了两个可以作为手和臂工作的机械手.另外,由于腿式轮椅先天具有全方向运动的能力,在不同的地形或恶劣的环境下都能工作,而且允许重构(在静止时,一个腿可以作为操作手来用,完成简单的接取物体或开门等动作D,也得到了一定的发展.最具有创意的是法国Pievve Rabischong教授和他领导的研究小组开发的Active Orthesis系统,在下肢肌肉中植入电极,增加自然状态行走时的生理模式刺激,以实现残疾人自然行走的梦想.由于康复的对象是残疾或老年人,因此,必须要充分考虑到这些特殊用户在他们的环境里应用机器人控制界面的可能性,以及在用户失去或肢体功能不断下降条件下的系统可操作性,虽然包含了先进的传感器和动力系统,用户也有可能对外界信息无法做出反应.因此功能全面的控制界面~有效的控制策略,以及家庭和单位之间的交互设备也是康复机器人的研究重点.2.3医院服务机器人移动机器人也许是解决目前医院服务上一些缺陷的方法,完成一些沉重的和令人厌恶的工作,如抬起病人去厕所或为失禁病人更换床单等.一些医院服务机器人近年来得到发展,一般用来辅助护士完成食物~药品~医疗器械~病志等的传送和投递工作.如美国运输研究会(Transition Research Corpora-tion,TRC D(现在叫~elpMate Robotics D研制的~elpMate机器人,可以24小时的在医院里完成运送食物和药品的工作,与工厂所使用的自动输送车不同的是,这种机器人不是沿着固定的轨道网络行走,而是基于传感器和运动规划算法实现自主行走,适合于部分结构化的环境(Structured Environment D,系统也能处理传感器噪声~误差和定位错误,发现并避开障碍物(如人等D.这种机器人已在数家医院安装,一些医院报告说工作效率大大提高.由日本机械工程研究所(MEL D开发的MELKONG护理机器人,专门用来照顾那些不便走动的病人.为了送这种病人去卫生间或浴室,通常需要两名护理人员,劳动强度较大.该机器人可以轻松而平稳地将病人从床上托起,并将其送往卫生间~浴室或餐厅.平时该机器人由护士操纵,但在夜间,病人也可以通过操纵手柄进行控制.一些关键的技术,如停靠~行走~抓取~液压执行器~能源供给~人机界面等都已经解决.日本三菱公司还推出了一种在MELKONG基础上改进的传输搬运车辆[1].2.4应用现状目前,医疗机器人的实际应用主要集中在外科手术领域,机器人做手术十分精确,一个神经外科大夫的误差精度能达到2毫米,而机器人的精度可以很容易的达到微米级,在追求MIS的今天,其好处是不言而喻的,因此得到了广泛的研究和应用,目前已经商品化的产品包括前面提到的TOBODOC~AE-SOP~ZEUS和Da vinci等系统,在各种外科手术中得到了广泛的应用.如TOBODOC辅助外科手术系统在德国~澳大利亚~西班牙~法国~英国~瑞士~中东~日本~韩国~印度等多个国家和地区都有应用,在日本大学和医院里就有7台.而在世界范围内有近500台AESOP机器人在MIS中得到应用,每年完成581第25卷第2期杜志江等:医疗机器人发展概况综述数万例手术ZEUS系统在美国和欧洲的应用也十分广泛.2000年5月3日至11月6日美国食品与药品检验局授权University~ealth System of EasternCarolina应用Da vinci系统进行临床试验以研究机器人手术在心脏瓣膜修复或置换手术中的应用.第一阶段的10例手术成功后FDA继续授权该机构进行第二阶段的10例手术研究机器人进行MIS的可行性研究表明利用机器人手术的患者的康复时间只有传统手术的一半.目前单在美国就有超过15个州的28家医疗机构应用Da vinci系统开展心脏~消化系统~泌尿科~妇产科等外科手术.在实现本地辅助医疗的基础上医疗机器人也正向远程辅助医疗方向发展[8 9].1998年美国亚特兰大的乔治亚工业大学计算机学院研制成功了集成式远程神经外科手术系统IRNS.同年第一例远程遥机器人肾脏入侵手术在美国马里兰巴尔的摩市约翰霍普金医院和意大利罗马的Tor vergata大学之间进行.2001年8月9日我国的首次由远程遥控机器人完成的脑外科手术也在中国海军总医院取得成功.图6跨洋机器人手术Fig.6The transatlantic robotic surgery2001年9月7日法国医生雅克马雷斯科领导的来自消化系统癌症研究学会的一个医疗小组在美国纽约为远在法国斯特拉斯堡的病人进行了胆囊摘除手术.这次被命名为林白手术的超远程(跨越6275公里D遥控手术由法国电信公司提供网络通讯支持成功地将远程信号反馈的时间降低为150毫秒(一般认为安全延时时间为330毫秒D雅克医生通过网络远程遥控在法国手术室中的ZEUS医用机器人首先把装有微型光纤摄像头的内窥镜导入病人的腹部然后使用解剖刀和镊子摘除了可疑的胆囊组织整个手术仅耗时54分钟女病人在术后48小时恢复排液而且没有发生任何的并发症成功地实现了世界上首个跨洋手术[10 11].图6为医生正在进行手术.经过十年来的努力医疗机器人已经在脑神经外科~心脏修复~胆囊摘除手术~人工关节置换~整形外科~泌尿科手术等方面得到了广泛的应用在提高手术效果和精度的同时也不断开创新的手术并向其它领域扩展[12~18].3未来发展(Tendencies D随着技术的发展机器人将向医疗的各个领域渗透将涵盖包括外科手术~医院服务~助残~家庭看护和康复等的所有层面开创临床医学的新天地各种新型医用机器人机构~新型手术工具~医学图像采集和处理技术~远程信息传输技术~智能传感器~智能轮椅~智能康复设备及其它相关技术等仍是研究热点.此外用于人体可视化建模和仿真提供更好的了解人体生理组织和结构的生物机器人(Bio-robotics D将得到更深入的发展目前生物机器人还没有确切的定义但一般认为应具有复杂感觉和智能如行走~抓取~视觉~触觉等.Waseda大学的IchiroKato和Atsuo Takanishi教授已经研制成功了一种可以弹奏不同乐器(象风琴~钢琴~小提琴~长笛等D 的机器人[1].值得注意的是随着微型机电技术(MEMS D的不断深入发展研究微小型机器人甚至纳米机器人已经不再是梦想并具有很好的发展前景它可以直接进入人体器官内部进行工作完成组织取样~疏通血管~药物放置~细胞操作等普通医疗技术和手段无法完成的工作[19 20].国外目前正在研制和开发体内自主行走式诊断治疗~体内微细手术~体内药物直接投放微形外科手术机器人这种机器人由医生用注射器将其推入人体内部然后由该系统所携带的微生物传感器对人体组织进行检测并把信号传送到系统信息处理中心进行分析处理.当发现有病变组织时控制中心即发出信号由微型手术机器人对病变组织进行直接手术治疗和药物注射治疗.尽管这些工作才刚刚开始但已经取得了一些令人振奋的成果.瑞典科学家研制的一种由多层聚合物和黄金制成的微型机器人只有0.5mm长0.25mm宽外形681机器人2003年3月类似人的手臂,其肘部和腕部很灵活,有2~4个手指.这种微型机器人能拿起肉眼看不见的玻璃球,并能移动单个细胞或捕捉细菌.科学家希望这种微型医用机器人能在血液~尿液和细胞介质中工作,捕捉和移动单个细胞,并成为微型手术器械[5].近日,哈尔滨工业大学机器人研究所研制成功纳米级精密定位系统,在这个系统支持下的纳米级高精密微驱动机器人,能对细胞和染色体进行~显微手术,并能在微电子~精密加工~光学微调整~通讯光纤对接等精度要求较高的领域一显身手.纽约大学的一个实验室也制造出一个纳米级机器人.研究人员认为,将来,纳米级机器人可在人体微观世界行走,随时清除人体中的一切有害物质,修复损坏的基因,激活细胞能量,使人不仅仅保持健康,而且延长寿命.可以说,微小型和纳米机器人的发展前景是无可限量的.4结论(Conclusion)由于机器人在手术的准确性~可靠性和精确性上大大超过了外科医生,机器人技术已经在医疗领域得到了长足的发展,并取得了很好的临床效果.但由于一些原因,尤其是心理(医疗机器人被医生视为是竞争者,被一些患者视为危险事物)和其他一些非技术原因(比如许可证的发放等),仍有很长的路要走.但随着技术的进步和人们认识的转变,以及令人神往的医疗效果和巨大商业利益的驱使,各种医疗机器人及其辅助医疗技术将得到更深入而广泛的研究和应用,其前景将是非常广阔的.参考文献(Ref erences)[1]Paolo Dario,Eugenio Guglielmelli,et al.Robottic for MedicalApplications.IEEE Robotics and Automation Magazine, September1996,44-56[2]~yosig Kang,et al.Robotic 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