主要功能模塊

通常，手術機器人主要的功能模塊如下圖所示。中間模塊是最為核心的軟件開發(fā)部分，包含圖像重構、空間配準和定位控制等；而周圍的硬件輔助設施如醫(yī)學圖像采集、機器人裝置和定位裝置需要與臨床手術的空間要求完全契合；人機交互與顯示則是與醫(yī)生交互最為密集的部分，需要充分考慮手術需求和術者的使用場景。

因此，國內率先展開手術機器人研究的團隊大多由理工科院校的機械專業(yè)專家學者和對應醫(yī)院的相關科室醫(yī)生構成，結合放射影像學、計算機圖像圖形學、機器人學、醫(yī)學等眾多學科，研發(fā)出符合臨床使用標準和手術需求的產品。

1997：神經(jīng)外科，Remebot

國內最早的手術機器人嘗試是從1997年開始的，由解放軍海軍總醫(yī)院的神經(jīng)外科專家田增民醫(yī)生和北京航空航天大學機器人專家王田苗教授主導。該神經(jīng)外科機器人采用 PUMA 262 被動式五關節(jié)機械臂，1998 年進入國家 863 計劃課題。最新一代名為 Remebot（下圖），目前已投入臨床使用。

神經(jīng)外科手術一直存在手術空間小、定位困難等痛點。立體定向儀的發(fā)明是為了輔助醫(yī)生準確定位患者頭部病灶，同時充當手術操作平臺。醫(yī)生用四顆螺釘將框架固定在患者頭部，通過空間坐標換算出病灶位置，手術器械則裝載于框架結構上。

該技術已被廣泛應用于腦腫瘤、膿腫和血腫的手術治療中，由于手術創(chuàng)傷較開顱手術而言小一些，患者多數(shù)愿意接受這種治療方法。

神經(jīng)外科手術機器人 Remebot 是基于立體定向的思路，手術中機器人的計算機軟件系統(tǒng)、機械臂和攝像頭分別充當“腦”、“手”、“眼”，協(xié)作實現(xiàn)兩個核心功能：。

一是將醫(yī)學影像三維呈現(xiàn)，輔助醫(yī)生更加清晰全面地觀察病灶，完成手術規(guī)劃；。

二是按命令軌跡運動將安裝在其末端的手術器械準確送達患者頭部病灶點；。

三是按指令軌跡帶動手術器械運動完成輔助操作任務。 通過機器人自動定位，無需再使用框架定位，減輕患者痛苦，提高手術精準度。

目前，Remebot 已成功應用于臨床，搭載不同的手術器械可進行活檢、抽吸、毀損、移植、放療等操作，適用于12類近百種神經(jīng)外科疾病，涵蓋腦出血、腦囊腫、帕金森病、癲癇、三叉神經(jīng)痛等。

膠囊內鏡研究

胃鏡檢查的傳統(tǒng)方法是鏡身從受檢者的口腔經(jīng)咽部進入食管及胃內，易使敏感性較高的咽部受到刺激。膠囊內鏡則是通過口服內置攝像與信號傳輸裝置的智能膠囊達到圖像收集的目的。該技術最早于1990年代成型于以色列，目前 Given Imaging 公司的 M2A 膠囊內鏡已進入臨床使用，于 2002 年進入中國。

國內的膠囊內鏡研究也開始較早，OMOM 是重慶金山科技集團在國家“863計劃”、國際合作計劃等多個國家級科研項目的資助下，經(jīng)過5年科技攻關研制而成的膠囊內窺鏡系統(tǒng)。2004年，團隊初完成了膠囊內鏡關鍵技術的開發(fā)，拿出了原理樣機；經(jīng)過一系列的動物試驗之后，2004年6月實現(xiàn)了第一代產品定型。

膠囊內鏡的工作原理是：患者像服藥一樣將尺寸為φ13.0mm×27.9的智能膠囊吞下，它即隨著胃腸肌肉的運動節(jié)奏沿著胃→十二指腸→空腸與回腸→結腸→直腸的方向運行，同時對經(jīng)過的腔段連續(xù)攝像，并以數(shù)字信號傳輸圖像給病人體外攜帶的圖像記錄儀進行存儲記錄。這個小機器人的工作時間達6～8小時，吞服8～72小時后就會隨糞便排出體外。醫(yī)生通過影像工作站分析圖像記錄儀所記錄的圖像就可以了解病人整個消化道的情況，從而對病情做出診斷。

膠囊內鏡核心模塊是遠程可控的 MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems） 系統(tǒng)，背后是信息技術服務公司IBM為其提供的基于DB2數(shù)據(jù)庫的IT平臺。

2005：雙平面骨科機器人，天智航

雙平面骨科機器人是由北京航空航天大學和北京積水潭醫(yī)院合作研發(fā)的機器人系統(tǒng)， 主要適用于股骨頸空心釘內固定術，骨盆骶髂關節(jié)螺釘內固定術等骨科手術，解決傳統(tǒng)手術中需要反復X射線透視、定位困難和操作缺乏穩(wěn)定性等問題。

在針對骨盆骨折、長骨骨折等復雜部位骨折患者的螺釘固定術中，機器人可以在髓內釘插入長骨髓腔之后， 輔助確定遠端螺孔的位置和方向，進而提高手術精度。術中引入 C 臂實時 X 線圖像，再結合光電、電磁、機器人等不同的定位系統(tǒng)確定髓內釘遠端孔的位置，有效降低術中輻射。

2015年11月19日，北京天智航醫(yī)療科技股份有限公司在全國中小企業(yè)股份轉讓系統(tǒng)（新三板）掛牌。股票名稱“天智航”，股票代碼834360，成為國內首家在新三板掛牌的醫(yī)療機器人企業(yè)。

2014：腔鏡機器人，妙手

“妙手”是類似于達芬奇的主從式腔鏡手術機器人，隸屬國家 863 計劃資助項目，主要研發(fā)團隊來自天津大學。該系統(tǒng)包含主操作手 （左手和右手）、從操作手 （左手和右手）、圖像系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、各種手術器械和其他輔助器械，可以在醫(yī)生控制下完成切割、分離、剝離、縫合、打結等手術操作，科研階段已成功地對兔子頸部和腿部動脈進行了血管吻合手術。

該系統(tǒng)于2014年進入臨床試驗階段，最早由中南大學湘雅三醫(yī)院采用新一代“妙手S”機器人，分別為3位患者進行了胃穿孔修補和闌尾切除手術。如下圖所示，醫(yī)生通過操縱桿控制伸入患者體內的機械臂，利用末端多樣的手術器械和靈活的腕部轉動完成不同動作。

與達芬奇類似，這類主從式手術機器人對醫(yī)生而言主要有以下幾方面的價值：

1.手術舒適度提高，醫(yī)生可以坐姿執(zhí)行腹腔鏡手術，手臂處有充分支撐，且手部抖動也會被適當減弱，避免疲勞；

2.成像效果好，相較傳統(tǒng)的腹腔鏡手術需根據(jù)視野內物體形變判斷距離，機械臂末端的攝像頭帶來的直視效果更為準確；

3.機械臂靈活，反饋率高，延遲微弱，可以完成各種復雜的動作，且活動范圍所受的限制小于人手。

根據(jù)天津大學機械學院院長王樹新的介紹，妙手在三個方面實現(xiàn)了重要突破：

一是運用了微創(chuàng)手術器械多自由度絲傳動解耦設計技術，解決了運動耦合問題，固定、防滑、防松，更有利于精度保持；

二是實現(xiàn)了從操作手的可重構布局原理與實現(xiàn)技術，使機器人的“胳膊”更輕，更適應手術的需要；

三是運用系統(tǒng)異體同構控制模型構建技術，解決了立體視覺環(huán)境下手-眼-器械運動的一致性。進入人體內部的探視鏡頭突破了人眼的極限，可以將手術視野放大數(shù)倍甚至數(shù)十倍。醫(yī)生只需通過計算機遙控，就能進行需要往常多人才能完成的手術。

就目前而言，國外醫(yī)療機器人產品也在積極拓展中國市場，如妙手的直接競爭對手達芬奇在中國的擴張速度極快，截至2015年11月，大陸和香港地區(qū)共引入了 46 臺，2015年第三季度手術量實現(xiàn)同比 15% 的增長。

綜合來看，國內的醫(yī)療機器人產品普遍進入了高?？蒲泻团R床試驗向產業(yè)化過渡的重要時期。以上四個產品商業(yè)化相對較快，已經(jīng)稱得上業(yè)內的佼佼者。國內還有一些科研成果正在轉化，如哈爾濱工業(yè)大學研制的微創(chuàng)外科手術機器人系統(tǒng)、沈陽自動化研究所研制的脊柱外科機器人系統(tǒng)等。（來源：Remebot）