神經(jīng)微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述

孫椰望，羅曉華，曹也，曹安林，劉玉柱，林井副，張之敬，馬利平

(1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所；2.北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心，3.北京理工大學(xué)；4.北京301醫(yī)院；5.中國科學(xué)院自動化研究所，北京 100000)

隨著人們生活水平的不斷提高，國內(nèi)不良飲食習(xí)慣和身體素質(zhì)的亞健康狀態(tài)日益嚴(yán)峻，特別是常見的周圍神經(jīng)病與日俱增，例如面癱、坐骨神經(jīng)痛、神經(jīng)炎、急性感染性多發(fā)性神經(jīng)根神經(jīng)炎、臂叢神經(jīng)損傷、尺神經(jīng)損傷、橈神經(jīng)損傷、正中神經(jīng)損傷、脛神經(jīng)損傷、腓總神經(jīng)損傷、股外側(cè)皮神經(jīng)炎、肋間神經(jīng)痛等，這些疾病發(fā)病人群龐大，極大地危害了廣大人民群眾的正常生活。對于藥物治療無效和伴隨骨、軟組織損傷的神經(jīng)損傷疾病，微創(chuàng)治療成為唯一途徑。其中，常見的微創(chuàng)手術(shù)方式包括吸取、切除、縫合等典型方式。然而，周圍神經(jīng)系統(tǒng)的微創(chuàng)手術(shù)種類繁雜、難度大、技術(shù)攻堅困難。主要問題包括：(1)人因干擾復(fù)雜，機(jī)體處于變動狀態(tài)，實(shí)時準(zhǔn)確定位困難，進(jìn)入人體的人機(jī)協(xié)同的柔性微創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)缺乏，不能準(zhǔn)確進(jìn)行實(shí)時交互式手術(shù)。(2)微細(xì)病變微創(chuàng)困難，微細(xì)神經(jīng)的壓迫、損傷、粘連等病癥，很難利用現(xiàn)有ISO微創(chuàng)標(biāo)準(zhǔn)的直徑5 mm器械進(jìn)行手術(shù)，急需研制直徑更小的精密微細(xì)手術(shù)裝置，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的神經(jīng)微創(chuàng)。(3)柔性自調(diào)姿微創(chuàng)技術(shù)缺乏，肌肉組織微小變動就會導(dǎo)致規(guī)劃定向路徑的手術(shù)定位失敗，導(dǎo)致手術(shù)重復(fù)進(jìn)行，機(jī)體重復(fù)損傷多發(fā)，極大地加重了患者的痛苦和醫(yī)務(wù)人員的工作難度。為此，本文針對周圍神經(jīng)微創(chuàng)技術(shù)的迫切需求和精準(zhǔn)微創(chuàng)手術(shù)的關(guān)鍵問題，分析了國內(nèi)外微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展概況。

1 國內(nèi)神經(jīng)微創(chuàng)臨床技術(shù)

如圖1所示，周圍神經(jīng)在人體范圍廣，涉及較多的復(fù)雜區(qū)位特征以及各種骨架體，圖1案例的變路徑“穿刺-活檢-夾取”的整體微創(chuàng)技術(shù)方案迫切需要變化微創(chuàng)路徑的精準(zhǔn)微創(chuàng)技術(shù)，采用目前的剛性直接穿刺技術(shù)對人體的破壞性損傷十分嚴(yán)重，甚至癱瘓絕育等。但是，國內(nèi)變路徑毫米級精準(zhǔn)微創(chuàng)手術(shù)的器械難題十分突出。

圖1 周圍神經(jīng)特征及精準(zhǔn)柔性微創(chuàng)的迫切需求

目前，國內(nèi)神經(jīng)微創(chuàng)以圖2剛體結(jié)構(gòu)手持微創(chuàng)裝置治療為主，很難實(shí)現(xiàn)路徑變動、人機(jī)協(xié)同、自動導(dǎo)航和精準(zhǔn)微創(chuàng)的手術(shù)迫切需求。圖2(a)為固定角度微創(chuàng)器械，圖2(b)采用CT介入導(dǎo)航的直針進(jìn)行坐骨神經(jīng)手術(shù)技術(shù)，這些設(shè)備導(dǎo)致微創(chuàng)過程實(shí)時的準(zhǔn)確性低、CT輻射大、復(fù)雜區(qū)位病灶無法治療、效率低、肌體變動的重復(fù)進(jìn)針和二次損傷的嚴(yán)重問題，急需研制適應(yīng)性較好的微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)。

圖2 目前臨床微創(chuàng)典型器械

2 微創(chuàng)協(xié)作機(jī)器人技術(shù)

微創(chuàng)醫(yī)用機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域是集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、計算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人學(xué)等多學(xué)科為一體的新型交叉技術(shù)，能夠從視覺、觸覺和聽覺方面為醫(yī)生決策和操作提供充分的支持，擴(kuò)展醫(yī)生的操作技能，提高疾病的診斷與治療質(zhì)量[1]。我國手術(shù)機(jī)器人的相關(guān)研究始于20世紀(jì)90年代中期，手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)分別在神經(jīng)外科、骨科、心血管外科及泌尿外科等領(lǐng)域取得了重要的突破[1-4]。1997年，北京航空航天大學(xué)與北京301醫(yī)院聯(lián)合研發(fā)了基于PUMA262工業(yè)機(jī)器人的腦外科機(jī)器人輔助定位系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于臨床[2,3]。2011年，上海交通大學(xué)通過研究光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)與手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)整合的關(guān)鍵技術(shù)，以顱頜面外科手術(shù)精確治療為目標(biāo)，初步設(shè)計了基于光學(xué)導(dǎo)航控制的顱頜面外科手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)[5]。2012年，北京理工大學(xué)進(jìn)行了穿刺力建模、軟組織建模及虛擬仿真建模、減小穿刺過程軟組織變形的研究，搭建了微創(chuàng)穿刺手術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計研制了用于穿刺治療的融合多種傳感器的穿刺針夾持器，進(jìn)行了微創(chuàng)穿刺安全防護(hù)性能設(shè)計與研究，建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穿刺針位姿描述方法，但是結(jié)合CT的介入試驗(yàn)研究尚缺乏，精準(zhǔn)微創(chuàng)導(dǎo)航和變動路徑穿刺技術(shù)沒有研究[6]。在普通外科領(lǐng)域，2014年，天津大學(xué)發(fā)布了“妙手”機(jī)器人系統(tǒng)的改進(jìn)版，輔助完成多例膽囊摘除和結(jié)腸腫瘤根治等手術(shù)。此外，北京航空航天大學(xué)與北京積水潭醫(yī)院聯(lián)合自主研發(fā)的TiRobot 骨科手術(shù)機(jī)器人，可規(guī)劃手術(shù)路徑并精確引導(dǎo)內(nèi)植物的置入。2015年，北京積水潭醫(yī)院應(yīng)用TiRobot骨科手術(shù)機(jī)器人完成了全球首例基于術(shù)中實(shí)時三維影像的機(jī)器人輔助胸腰椎骨折內(nèi)固定術(shù)和首例復(fù)雜上頸椎畸形矯正手術(shù)[7-10]。

但是，機(jī)器人精準(zhǔn)微創(chuàng)實(shí)時導(dǎo)航的柔性變動路徑精準(zhǔn)微創(chuàng)技術(shù)未見報道。2018年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所對軟體機(jī)械臂的仿生機(jī)理、驅(qū)動及建模控制研究進(jìn)行了深入分析，指出軟體機(jī)械臂的高柔順性、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性及人機(jī)交互性等特點(diǎn)，能夠在醫(yī)療手術(shù)方面取得較好的應(yīng)用效果，但是柔性機(jī)器人的應(yīng)用需要突破新材料制備、結(jié)構(gòu)剛?cè)狁詈显O(shè)計和適應(yīng)性傳感器技術(shù)等難題[11]。

3 柔性微創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)

有別于微創(chuàng)協(xié)作機(jī)器人，柔性微創(chuàng)機(jī)器人直接進(jìn)入體內(nèi)進(jìn)行手術(shù)，要求靈活、可控和微細(xì)尺度融合技術(shù)。國際上以荷蘭代爾夫特理工大學(xué)醫(yī)工系為代表，其長期引領(lǐng)世界技術(shù)發(fā)展，特別是Paul Breedveld團(tuán)隊近十幾年來取得了眾多成果[12-23]，如圖3所示，結(jié)構(gòu)包括前端柔性彈簧結(jié)構(gòu)體、曲面路徑進(jìn)給聯(lián)動驅(qū)動線控結(jié)構(gòu)、剛體連接導(dǎo)向套的剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)導(dǎo)向與線控杠桿混合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互復(fù)雜微小路徑的適應(yīng)性微創(chuàng)手術(shù)需求，特別是在乳腺炎、膽囊炎、囊腫消除等微創(chuàng)方面取得了顯著的應(yīng)用效果。另外，Paul Breedveld團(tuán)隊研制了直徑0.4-0.5 mm系列的多種柔性微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人，并且植入了微細(xì)視覺實(shí)時導(dǎo)航光纖，產(chǎn)品臨床應(yīng)用于微細(xì)眼角膜治療、復(fù)雜盆腔和變路徑手術(shù)等多類型的手術(shù)中，這些裝置已經(jīng)在歐美臨床上推廣使用。但由于治療需求的差異和關(guān)聯(lián)技術(shù)的缺乏，這些微創(chuàng)機(jī)器人都是純機(jī)械結(jié)構(gòu)的人手操控方式，尚未研制臨床使用的智能導(dǎo)航柔性微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)。

圖3 直徑0.5毫米的柔性線控微創(chuàng)系統(tǒng)

智能導(dǎo)航微創(chuàng)技術(shù)方面，達(dá)芬奇一直處于國際領(lǐng)先水平，達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人于2005年被美國FDA批準(zhǔn)用于婦科微創(chuàng)手術(shù)，此后，該技術(shù)迅速普及[8,9,24]。臨床應(yīng)用結(jié)果表明，手術(shù)機(jī)器人手術(shù)具有更高的精確性、更好的操控性，能在骨盆中完成精細(xì)的操作，有利于功能的重建和盆腔淋巴結(jié)清掃。如圖4所示，達(dá)芬奇微創(chuàng)系統(tǒng)主要包括外科醫(yī)生控制臺、床旁機(jī)械臂系統(tǒng)、成像系統(tǒng)[25,26]。其中，成像系統(tǒng)(Video Cart)內(nèi)裝有外科手術(shù)機(jī)器人的核心處理器以及圖像處理設(shè)備，外科手術(shù)機(jī)器人的內(nèi)窺鏡為高分辨率三維(3D)鏡頭，對手術(shù)視野具有10倍以上的放大倍數(shù)，能為主刀醫(yī)生帶來患者體腔內(nèi)三維立體高清影像，使主刀醫(yī)生能更準(zhǔn)確辨認(rèn)解剖結(jié)構(gòu)，提升了手術(shù)精確度[27-30]。達(dá)芬奇微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)雖然很好地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)協(xié)同，但是手術(shù)創(chuàng)傷集中在直徑5 mm左右，患者短時間康復(fù)困難，手術(shù)昂貴，并且微創(chuàng)終端的機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要是剛體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，操作空間要求較大，很難實(shí)現(xiàn)微細(xì)病變體的治療[31,32]。

圖4 達(dá)芬奇微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)

2015年，北京柏惠維康科技有限公司率先研制了Remebot神經(jīng)外科毫米級外部導(dǎo)航定位機(jī)器人系統(tǒng)，如圖5所示，該微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)獲得了國內(nèi)多家醫(yī)院的好評，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)協(xié)同的毫米級精準(zhǔn)微創(chuàng)，但是一直處于直針剛體微創(chuàng)技術(shù)方面，缺乏柔性毫米微創(chuàng)和內(nèi)部實(shí)時導(dǎo)航耦合技術(shù)，很難進(jìn)行復(fù)雜變軌微創(chuàng)路徑的智能精準(zhǔn)手術(shù)。

圖5 Remebot人機(jī)協(xié)同微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)

2019年，美國公開了一種自主導(dǎo)航的柔性微型醫(yī)療機(jī)器人，一個機(jī)器人導(dǎo)管借助人工智能和微導(dǎo)航技術(shù)，能夠幫助醫(yī)生進(jìn)行心臟手術(shù)，這是首個可在體內(nèi)自主導(dǎo)航找到目標(biāo)位置的醫(yī)療機(jī)器人[33]，該機(jī)器人裝有觸覺傳感器，頂端裝有微型相機(jī)，可利用機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像處理技術(shù)，在“陌生”的黑暗環(huán)境中識別所接觸的組織類型、所處位置，判斷行進(jìn)方向，但是這種智能機(jī)器人系統(tǒng)還沒有臨床應(yīng)用的報道，并且，脫離醫(yī)生主導(dǎo)的手術(shù)裝備是否符合法定的醫(yī)療規(guī)范尚待討論。

2020年，北京理工大學(xué)聯(lián)合荷蘭代爾夫特理工大學(xué)、301醫(yī)院和中科院技術(shù)團(tuán)隊，公開了一種基于外部視覺定位、CT輔助病變體引導(dǎo)和微創(chuàng)機(jī)器人內(nèi)部微細(xì)視覺實(shí)時耦合導(dǎo)航的智能精密柔性線控機(jī)器人系統(tǒng)[32]。如圖6所示，該系統(tǒng)重點(diǎn)以優(yōu)于3 mm直徑的神經(jīng)微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人結(jié)構(gòu)為主要特征，實(shí)現(xiàn)線控機(jī)器人前端的多自由度調(diào)姿，并且結(jié)合智能控制系統(tǒng)和微細(xì)實(shí)時內(nèi)部視覺導(dǎo)航系統(tǒng)，進(jìn)行精準(zhǔn)微創(chuàng)，團(tuán)隊研發(fā)了首臺套樣機(jī)系統(tǒng)。

圖6 多維度視覺導(dǎo)航的智能柔性微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)

4 結(jié)論

綜上所述，周圍神經(jīng)變路徑的精準(zhǔn)微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)由于受到人體組織變動對進(jìn)針的力學(xué)干擾的影響，很難實(shí)現(xiàn)高精度的定位，并且缺乏智能微細(xì)柔性機(jī)器人典型結(jié)構(gòu)的系列化設(shè)計與控制技術(shù)。因此，神經(jīng)微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)需要重點(diǎn)開展以下技術(shù)突破：(1)研究揭示肌體生物力學(xué)和動力學(xué)特性對微創(chuàng)機(jī)器人進(jìn)針的影響機(jī)理，具體針對周圍神經(jīng)微創(chuàng)區(qū)位的變路徑精準(zhǔn)進(jìn)針困難的科學(xué)問題，采用數(shù)值動態(tài)計算和樣機(jī)試驗(yàn)分析結(jié)合的方法，深入研究肌肉的差異組織粘滯力、多物理層收縮變動和瞬時局部觸動激勵機(jī)械特性對微創(chuàng)機(jī)器人系統(tǒng)和超自由度結(jié)構(gòu)的進(jìn)針影響。(2)研究揭示肌肉典型機(jī)械特性對微創(chuàng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)形變和精準(zhǔn)行進(jìn)的影響機(jī)理，指導(dǎo)肌肉組織微創(chuàng)精準(zhǔn)進(jìn)針的機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化和進(jìn)針工藝制定，形成毫米級微創(chuàng)智能進(jìn)針的工藝技術(shù)和系列化結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，促進(jìn)毫米級變路徑微創(chuàng)智能精準(zhǔn)進(jìn)針技術(shù)的系列化產(chǎn)品研制及應(yīng)用。(3)突破多尺度視覺實(shí)時導(dǎo)航的柔性微創(chuàng)準(zhǔn)確定位技術(shù)，解決毫米級病灶的精準(zhǔn)定位和去除，高效救治病人，極大降低CT輻射的手術(shù)風(fēng)險。(4)研制適用于毫米級微創(chuàng)的變路徑柔性微細(xì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)于毫米級多類型多區(qū)位病變體的便捷去除和智能化控制，高效地造福社會。