醫(yī)用機(jī)器人的研究與發(fā)展

武漢商業(yè)服務(wù)學(xué)院機(jī)電工程與汽車(chē)服務(wù)學(xué)院 張紅霞

1.引言

機(jī)器人在應(yīng)用上有兩個(gè)突出的特點(diǎn)：一是它能夠代替人工作，代替人進(jìn)行簡(jiǎn)單重復(fù)，臟亂危險(xiǎn)環(huán)境，勞動(dòng)強(qiáng)度大的工作；二是擴(kuò)展人類(lèi)的能力，它可以做人很難進(jìn)行的高細(xì)微精密的作業(yè)，以及超高速作業(yè)等。醫(yī)用機(jī)器人正是運(yùn)用了機(jī)器人的這兩個(gè)特點(diǎn)，具有選位準(zhǔn)確，動(dòng)作精細(xì)，避免病人感染等特點(diǎn)；譬如在血管縫合手術(shù)時(shí)，人工很難進(jìn)行細(xì)1毫米以下的血管縫合，如果使用醫(yī)用機(jī)器人，血管縫合手術(shù)可以達(dá)到小于0.1毫米的精度。

醫(yī)用機(jī)器人是一個(gè)新興的、多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，涉及眾多領(lǐng)域知識(shí)和技術(shù)，研究醫(yī)用機(jī)器人不僅能促進(jìn)傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)的變革，而且也會(huì)對(duì)這些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用，具有重要的理論研究意義。目前，醫(yī)用機(jī)器人的研制主要集中在手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人和醫(yī)院服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)等幾個(gè)方面，本文詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外有關(guān)醫(yī)用機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，并探討了今后的發(fā)展方向。

2.手術(shù)機(jī)器人

近年來(lái)，各種醫(yī)用機(jī)器人的概念和模型被提出和研發(fā)；而在眾多的醫(yī)用機(jī)器人研究中，手術(shù)機(jī)器人得到了相關(guān)研發(fā)人員的重視。手術(shù)機(jī)器人最早源于美軍機(jī)器人手術(shù)和遠(yuǎn)程外科計(jì)劃。1994年，由美國(guó)國(guó)防部下屬的國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）研制成原型機(jī)。商業(yè)化的手術(shù)機(jī)器人則最早出現(xiàn)在1994年，由美國(guó)Computer Motion公司研制，命名為AESOP；該機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是一種聲控腹腔鏡的自動(dòng)“腹鏡手”。1997年3月，比利時(shí)布魯塞爾St Pierre醫(yī)院利用AESOP系統(tǒng)成功完成第一例腹腔鏡手術(shù)——膽囊切除術(shù)。1998年，Computer Motion公司研制的Zeus系統(tǒng)，Intuitive Surgical公司研制的da Vinci系統(tǒng)，和endoVia公司研制的Laprotek系統(tǒng)分別獲得了成功；其中da Vinci系統(tǒng)在國(guó)際上影響最大。這三系統(tǒng)均由三大部分組成：醫(yī)生操縱臺(tái)，機(jī)械手和內(nèi)鏡裝置。Zeus系統(tǒng)采用純信號(hào)方式實(shí)現(xiàn)醫(yī)生操縱臺(tái)對(duì)機(jī)器臂的控制，在傳輸距離上不受視頻延遲的影響；2001年9月首次實(shí)現(xiàn)跨大西洋（美國(guó)紐約-法國(guó)斯特拉斯堡）的機(jī)器人腹腔鏡膽囊切除術(shù)。最近，美軍正在研究遠(yuǎn)程微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人，采用da Vinci系統(tǒng)在美國(guó)華爾特里德陸軍醫(yī)學(xué)中心和約翰霍普金斯醫(yī)院之間（相距64 km）開(kāi)展遠(yuǎn)程手術(shù)。

在國(guó)內(nèi)，海軍總醫(yī)院和北航機(jī)器人研究所共同開(kāi)發(fā)出智能化遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)，被稱(chēng)為“遙操作遠(yuǎn)程醫(yī)用機(jī)器人”。2002年，首次成功使用該機(jī)器人為一腦腫瘤患者做了立體定向活檢手術(shù)。專(zhuān)家先通過(guò)電腦網(wǎng)絡(luò)接收病人信息，分析病人CT影像，進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，然后遙控操作手術(shù)室內(nèi)的機(jī)器人開(kāi)始手術(shù)；機(jī)器人根據(jù)專(zhuān)家指令，自動(dòng)搜索手術(shù)部位，并迅速鎖定立體定向穿刺路徑；20分鐘后，成功地取出病變組織。2006年3月，我國(guó)首例通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)異地操控機(jī)器人的骨科手術(shù)在陜西延安獲得成功；該手術(shù)為脛骨髓內(nèi)釘手術(shù)，由1300公里外的北京專(zhuān)家通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人實(shí)施。

微型機(jī)電技術(shù)的不斷深入發(fā)展為微小型機(jī)器人甚至納米機(jī)器人提供了技術(shù)支持，它可以直接進(jìn)入人體器官內(nèi)部進(jìn)行工作，完成組織取樣、血管疏通、藥物定點(diǎn)放置、微型手術(shù)和細(xì)胞操作等普通醫(yī)療技術(shù)和手段無(wú)法完成的工作。目前，國(guó)內(nèi)外正在研制和開(kāi)發(fā)體內(nèi)自主行走式診斷治療、體內(nèi)微細(xì)手術(shù)和體內(nèi)藥物直接投放微型外科手術(shù)機(jī)器人。

目前醫(yī)療外科機(jī)器人系統(tǒng)的研究主要集中在幾個(gè)方面：

(1)機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究：研究新的機(jī)器人本體，以拓寬機(jī)器人輔助外科的應(yīng)用范圍。

(2)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和路徑規(guī)劃研究：使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度更高，當(dāng)運(yùn)動(dòng)路徑的選取更加科學(xué)時(shí)，系統(tǒng)整體的安全性就更好。

金融監(jiān)管機(jī)構(gòu)要加強(qiáng)對(duì)第三方移動(dòng)支付的監(jiān)管，全面有效地監(jiān)督第三方移動(dòng)支付交易的具體操作，采取措施掌握第三方支付平臺(tái)參與者信息的真實(shí)性和第三方移動(dòng)支付交易的合法性，打擊洗錢(qián)、網(wǎng)絡(luò)詐騙等違法行為，營(yíng)造良好的金融市場(chǎng)環(huán)境，增強(qiáng)第三方移動(dòng)支付平臺(tái)交易的安全性。

(3)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和通訊技術(shù)在醫(yī)療外科機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用研究：使虛擬臨場(chǎng)手術(shù)系統(tǒng)更加實(shí)用化。

(4)臨床應(yīng)用研究：任一醫(yī)療外科機(jī)器人系統(tǒng)，在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)后均需要進(jìn)行臨床應(yīng)用研究，以確定系統(tǒng)對(duì)臨床應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性。

(5)系統(tǒng)集成研究：在完成系統(tǒng)各組成部分的研制后，通過(guò)系統(tǒng)集成研究將各部分有機(jī)組織起來(lái)，使最終系統(tǒng)的性能獲得最佳。

(6)操作界面研究：以進(jìn)一步提高醫(yī)療外科機(jī)器人系統(tǒng)的可操作性。為了醫(yī)生和醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)自如的交互，系統(tǒng)應(yīng)盡可能為醫(yī)生提供直觀的交互平臺(tái)。

（7)仿射變換研究：建立病人的某種圖像信息與人體標(biāo)準(zhǔn)圖譜的關(guān)系，以較低的成本和較高的速度獲得用于規(guī)劃、導(dǎo)航和仿真系統(tǒng)的病人三維立體模型。

應(yīng)用外科輔助醫(yī)療機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)，可以極大的提高手術(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性，它的出現(xiàn)將對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，在醫(yī)療手術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。外科輔助醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)將在應(yīng)用中不斷得到完善，并將改變外科醫(yī)生處理患者的方法。它不僅會(huì)對(duì)常規(guī)醫(yī)療帶來(lái)一系列的技術(shù)變革，而且對(duì)臨床護(hù)理及康復(fù)工程等的發(fā)展都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

3.康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人

康復(fù)機(jī)器人作為醫(yī)療機(jī)器人的一個(gè)重要分支，它的研究貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)，生物力學(xué)，機(jī)械學(xué)，機(jī)械力學(xué)，電子學(xué)，材料學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)成為了國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)?？祻?fù)治療機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，不再把機(jī)器人當(dāng)作輔助患者的工具，而是把機(jī)器人和計(jì)算機(jī)當(dāng)作提高臨床康復(fù)效率的新型治療工具。這是一個(gè)囊括了生物力學(xué)或生物物理化學(xué)、競(jìng)爭(zhēng)運(yùn)動(dòng)控制理論、訓(xùn)練技術(shù)和人機(jī)接口問(wèn)題等諸多方面的復(fù)雜問(wèn)題。目前，康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到康復(fù)護(hù)理、假肢和康復(fù)治療等方面，這不僅促進(jìn)了康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，也帶動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新理論的發(fā)展。

康復(fù)機(jī)器人能夠?yàn)榛颊咛峁┮?guī)律性的運(yùn)動(dòng)肌能恢復(fù)性訓(xùn)練和神經(jīng)感知訓(xùn)練，從而提高他們的獨(dú)立生活能力，這對(duì)改善生活質(zhì)量，促進(jìn)社會(huì)和諧具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人有著很大的區(qū)別。人作為系統(tǒng)的一部分參與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和控制，對(duì)機(jī)器人的安全性!舒適性都提出了特殊的要求。

康復(fù)機(jī)器人可分為輔助性和治療型兩種。輔助型康復(fù)機(jī)器人主要用來(lái)幫助老年人和殘

疾人更好地適應(yīng)日常的工作和生活，部分補(bǔ)償了他們?nèi)趸臋C(jī)體功能；治療型康復(fù)機(jī)器人用來(lái)幫助患者恢復(fù)機(jī)體功能。目前，康復(fù)機(jī)器人的研究主要集中在康復(fù)機(jī)械手、智能輪椅、康復(fù)治療機(jī)器人以及家庭和單位之間的交互設(shè)備及智能控制界面等幾個(gè)方面。

基于移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械手目前最先進(jìn)的康復(fù)機(jī)械手。這種機(jī)械手安裝在移動(dòng)機(jī)器人或者是自主或半自主的小車(chē)上從而適于更多的患者使用，同時(shí)擴(kuò)大了機(jī)械手活動(dòng)空間并提高了抓取精度。S.Tachi等人在MIT日本實(shí)驗(yàn)室研制了一種移動(dòng)式康復(fù)機(jī)器人MELDOG，作為“導(dǎo)盲狗”以幫助盲人完成操作和搬運(yùn)物體的任務(wù)。法國(guó)Evry大學(xué)研制了一種移動(dòng)式康復(fù)機(jī)器人ARPH，使用者可以從工作站實(shí)施遠(yuǎn)程控制，使移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)定位和抓取操作。這種機(jī)械手系統(tǒng)一般要由視覺(jué)、靈巧操作、運(yùn)動(dòng)、傳感、導(dǎo)航及系統(tǒng)控制等子系統(tǒng)組成。

輪椅式下肢殘疾是失去行走能力的老年人的主要交通工具。目前，各類(lèi)傳感器和高效的信息處理及控制技術(shù)在輪椅上的應(yīng)用，使輪椅成為高度自動(dòng)化的智能移動(dòng)機(jī)器人。意大利的TGR S.R.L公司開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合輪椅與小車(chē)結(jié)構(gòu)的智能輪椅，它不僅能在規(guī)則的地上行走，還可以上下樓梯。

康復(fù)治療機(jī)器人在醫(yī)療實(shí)踐上主要是用于恢復(fù)患者肢體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的功能。目前神經(jīng)運(yùn)動(dòng)康復(fù)治療機(jī)器人的研究比較活躍，用來(lái)康復(fù)治療與神經(jīng)運(yùn)動(dòng)有關(guān)的疾病，包括中風(fēng)，帕金森氏病和大腦性麻痹癥。美國(guó)麻省理工學(xué)院研制了一種幫助中風(fēng)患者康復(fù)治療的機(jī)器人MIT2MANUS，它有2個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)病人的肩、肘和手在水平和豎直平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在治療過(guò)程中，把病人中風(fēng)的手臂固定在一個(gè)特制的手臂支撐套中，手臂支撐套固定在機(jī)器人臂的末端。病人的手臂按計(jì)算機(jī)屏幕上規(guī)劃好的特定軌跡運(yùn)動(dòng)，屏幕上顯示出虛擬的機(jī)器人操作桿的運(yùn)動(dòng)軌跡，病人通過(guò)調(diào)整手臂的運(yùn)動(dòng)可以使兩條曲線(xiàn)盡量重合，從而達(dá)到康復(fù)治療的目的。

現(xiàn)在的康復(fù)機(jī)器人技術(shù)正朝著以人為本的要求發(fā)展，強(qiáng)調(diào)人機(jī)互動(dòng)和舒適安全性。康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已有較成熟的發(fā)展并形成了產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)，這個(gè)領(lǐng)域尚處于起步階段，相信隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，以及構(gòu)建和諧社會(huì)對(duì)殘疾人事業(yè)的日益重視，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)必將在21世紀(jì)迎來(lái)新的飛躍。

4.醫(yī)院服務(wù)機(jī)器人

移動(dòng)機(jī)器人也許是解決目前醫(yī)院服務(wù)上一些缺陷的方法，完成一些沉重的工作，如抬起病人去廁所或?yàn)槭Ы∪烁鼡Q床單等，一些醫(yī)院服務(wù)機(jī)器人近年來(lái)得到發(fā)展，一般用來(lái)輔助護(hù)士完成食物、藥品、醫(yī)療器械、病志等的傳送和投遞工作，如美國(guó)運(yùn)輸研究會(huì)（Transition Research Corporation，TRC）（現(xiàn)在叫HelpMate Robotics）研制的“HelpMate”機(jī)器人，可以24小時(shí)的在醫(yī)院里完成運(yùn)送食物和藥品的工作，與工廠(chǎng)所使用的自動(dòng)輸送車(chē)不同的是，這種機(jī)器人不是沿著固定的軌道網(wǎng)絡(luò)行走，而是基于傳感器和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)自主行走，適合于部分結(jié)構(gòu)化的環(huán)境（Structured Environment），系統(tǒng)也能處理傳感器噪聲、誤差和定位錯(cuò)誤，發(fā)現(xiàn)并避開(kāi)障礙物。這種機(jī)器人已在數(shù)家醫(yī)院安裝，一些醫(yī)院報(bào)告說(shuō)工作效率大大提高。

日本機(jī)械工程研究所開(kāi)發(fā)的“MELKONG”護(hù)理機(jī)器人，專(zhuān)門(mén)用來(lái)照顧那些行動(dòng)不便的病人。該機(jī)器人可以輕松而平穩(wěn)地將病人從床上托起，并將病人送往衛(wèi)生間、浴室或餐廳。平時(shí)該機(jī)器人由護(hù)士操縱，但在夜間，病人也可以通過(guò)操縱手柄進(jìn)行控制。一些關(guān)鍵技術(shù)，如?？?、行走、抓取、人機(jī)界面等都已經(jīng)解決。

在醫(yī)院服務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注和重視。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人主要用于危重病患者的特殊檢查、挪動(dòng)、轉(zhuǎn)床、手術(shù)和麻醉前后的接送和戰(zhàn)場(chǎng)傷病員的后送，避免傷病員的再損傷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)辭職的醫(yī)護(hù)人員中，大約有12%的人是因?yàn)殚L(zhǎng)期從事患者的搬運(yùn)而引起背部的損傷而不得不離開(kāi)工作崗位，1996年和1998年，英國(guó)和澳大利亞相繼頒布了“非人工”搬運(yùn)患者的政策，2003年，國(guó)護(hù)理聯(lián)合會(huì)呼吁取消人工搬運(yùn)患者，采用器械或機(jī)器人搬運(yùn)患者，并于2004年在加利福尼亞洲獲得通過(guò)。2007年，燕山大學(xué)王洪波教授和日本Fumio Kasagami教授共同研制出“C-Pam”轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人，采用接觸點(diǎn)相對(duì)靜止技術(shù)，不需移動(dòng)患者身體的任何部分，患者就會(huì)被移動(dòng)到床板上。整個(gè)過(guò)程只需一個(gè)護(hù)理人員控制遙控器即可完成，不僅減少了患者的痛苦，減輕了護(hù)理人員的工作量，還大大地提高了工作效率。但是，它不具有水平移動(dòng)和垂直舉升能力，屬于被動(dòng)式轉(zhuǎn)運(yùn)，行走機(jī)構(gòu)還是采用常用的導(dǎo)輪推車(chē)，傳感器少，自動(dòng)化和智能化水平相對(duì)比較低。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人在保證患者無(wú)痛轉(zhuǎn)運(yùn)的前提下，還要易消毒滅菌，行走靈活，控制簡(jiǎn)單，安全可靠。隨著技術(shù)的進(jìn)步，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人正朝著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。

5.結(jié)束語(yǔ)

醫(yī)用機(jī)器人的應(yīng)用極大的推動(dòng)了現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，是現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生裝備的發(fā)展方向之一。手術(shù)機(jī)器人具有高準(zhǔn)確性、高可靠性和高精確性，提高了手術(shù)的成功率；康復(fù)機(jī)器人具有智能化，可為傷員、病人與老年人提供康復(fù)護(hù)理和服務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新、社會(huì)的老齡化以及醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，各醫(yī)療機(jī)器人及其輔助醫(yī)療技術(shù)將得到更深入而廣泛的研究和應(yīng)用，各種新型的醫(yī)用機(jī)器人機(jī)構(gòu)、新型手術(shù)工具、醫(yī)學(xué)圖像采集和處理技術(shù)、遠(yuǎn)程系統(tǒng)傳輸技術(shù)、智能傳感器、智能輪椅及其它相關(guān)技術(shù)仍是研究熱點(diǎn)。

[1]杜志江,孫立寧,富力新.醫(yī)療機(jī)器人發(fā)展概況綜述[J].機(jī)器人,2003,25(2):182-187.

[2]韓雯,常鈞.現(xiàn)代康復(fù)工程的發(fā)展概述[J].醫(yī)療裝備,2007,20(4):13-15.

[3]Paolo Dario,Eugenio Guglielmelli.Robotic for Medical Applications[J].IEEE Robotics and Automation Magazine 2006(9):44-56.

[4]Hongbo Wang,Fumio Kasagami.Careful-Patient Mover Used for Patient Transfer in Hospital.IEEE/ICME International Conference on Complex Medical Engineering,2007(5):20-26.

[5]Jim Osborn,Mitra Rocca.Report:Conceptual Study of LSTAT Integration to Robotics and Other Advanced Medical Technologies.CONTRACTING ORGANIZATION,2004.

[6]劉術(shù),蔣銘敏.美軍機(jī)器人手術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)微創(chuàng)外科雜志,2007,7(6):567-569.