手術(shù)機(jī)器人醫(yī)療器械作為高端智能診療裝備，為滿足不同的術(shù)部、術(shù)式和多樣化臨床需求，主要囊括了如下核心科學(xué)技術(shù)。

一、手術(shù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、多孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

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在多孔腔鏡手術(shù)中，“從動(dòng)端手術(shù)機(jī)器人”往往由“體外機(jī)械臂”和“靈巧手術(shù)工具”構(gòu)成：若干直桿狀的手術(shù)工具經(jīng)過不同的皮膚切口伸入并達(dá)到病灶，通過體外機(jī)械臂的擺動(dòng)使得手術(shù)工具繞著入腹切口在病人體內(nèi)運(yùn)動(dòng)；手術(shù)工具的末端有靈巧的腕狀結(jié)構(gòu)以提供運(yùn)動(dòng)靈活性。

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為避免對(duì)皮膚的撕扯，這些手術(shù)工具需要繞著入腹點(diǎn)做“遠(yuǎn)心運(yùn)動(dòng)”。實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)心運(yùn)動(dòng)”的體外機(jī)械臂具體有被動(dòng)約束、機(jī)械約束和協(xié)同約束這三類實(shí)現(xiàn)途徑。被動(dòng)約束是指體外機(jī)械臂的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，手術(shù)工具可被動(dòng)地適應(yīng)皮膚切口，典型代表有美國的Zeus系統(tǒng)和天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)的妙手系統(tǒng)等。

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這類機(jī)器人雖然可有效防止切口處皮膚的撕扯，但控制精度可能被術(shù)中病患腹腔壁切口的隨氣腹壓力變化或呼吸運(yùn)動(dòng)的變化而受到影響。機(jī)械約束一般通過等效的平行四邊形機(jī)構(gòu)或者并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)造空間的不動(dòng)點(diǎn)，例如da Vinci Si/Xi系統(tǒng)和韓國Meere公司的Revo-I系統(tǒng)等。該種約束的可靠性高，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，占用空間較大。以Medtronic和德國宇航中心共同研發(fā)的MiroSurge系統(tǒng)，英國Cambridge Medical Robotics公司的Versius系統(tǒng)等為代表的協(xié)同控制則是通過算法層面協(xié)同控制體外機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)以滿足不撕扯皮膚切口的約束要求。

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靈巧腕狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要有串聯(lián)關(guān)節(jié)、并聯(lián)關(guān)節(jié)和連續(xù)體關(guān)節(jié)三類。其代表性設(shè)計(jì)分別有da Vinci系統(tǒng)的EndoWrist串聯(lián)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)、韓國科學(xué)技術(shù)研究院的并聯(lián)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)和多倫多大學(xué)或上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)的連續(xù)體關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)等。

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2、單孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

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在單孔腔鏡手術(shù)中，視覺模塊和手術(shù)工具均從同一個(gè)創(chuàng)口伸入病人體腔內(nèi)。由于創(chuàng)傷面更小，為了實(shí)現(xiàn)類似于多孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，單孔手術(shù)器械的布置難度更高。手術(shù)工具按照驅(qū)動(dòng)類型不同可分為電機(jī)內(nèi)置型、連桿驅(qū)動(dòng)型、鋼絲驅(qū)動(dòng)型和連續(xù)體機(jī)構(gòu)型四種。

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美國Virtual Incision公司的RASD系統(tǒng)等采用電機(jī)內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)方式，將伺服電機(jī)內(nèi)嵌在機(jī)器人的手術(shù)工具臂體中。雖然這類設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)模塊化的關(guān)節(jié)布置，但是電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)會(huì)造成較大的皮膚切口和難以消毒的設(shè)計(jì)隱患。以早稻田大學(xué)團(tuán)隊(duì)的SPS系統(tǒng)等為代表的連桿驅(qū)動(dòng)型單孔腔鏡機(jī)器人則會(huì)受限于機(jī)構(gòu)尺寸難以縮小，以及空間連桿固有的運(yùn)動(dòng)干涉問題。

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以da Vinci SP系統(tǒng)為代表的鋼絲驅(qū)動(dòng)型設(shè)計(jì)有較多系統(tǒng)采納：十余股鋼絲繩穿過手術(shù)工具內(nèi)部的小孔牽拉實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的彎轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但帶來鋼絲繩疲勞磨損的問題。采用超彈性鎳鈦合金細(xì)桿協(xié)同推拉，以實(shí)現(xiàn)手術(shù)工具柔順運(yùn)動(dòng)的連續(xù)體機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式，憑借其獨(dú)特的模塊化緊湊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)也逐漸被學(xué)界和業(yè)界所接受。采用該驅(qū)動(dòng)方式的北京術(shù)銳的模塊化腔鏡手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)目前已擁有較成熟有效的實(shí)現(xiàn)方案。

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3、經(jīng)自然腔道腔鏡手術(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

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這類手術(shù)機(jī)器人需要通過狹長(zhǎng)病人自然腔道到達(dá)病灶處，因此對(duì)手術(shù)工具的外徑尺寸、負(fù)載能力、末端靈巧性都提出了極高要求，目前距離產(chǎn)業(yè)化尚存距離。其驅(qū)動(dòng)方案類似地，包含電機(jī)內(nèi)置、鋼絲驅(qū)動(dòng)和連續(xù)體機(jī)構(gòu)三類。

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二、手術(shù)機(jī)器人的傳感設(shè)計(jì)

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1、手術(shù)工具的力感知

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手術(shù)機(jī)器人的力感知可作為力反饋的依據(jù)以提升手術(shù)的安全性。手術(shù)中的力感知包括受力感知和觸覺柔順感知兩個(gè)方面，具有外體感知和本體感知兩種途徑。外體感知通常在手術(shù)工具的末端集成基于電阻、光纖等的力學(xué)傳感器；而本體感知?jiǎng)t在手術(shù)機(jī)器人位于病人體外的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)處安裝傳感器，通過力學(xué)模型推導(dǎo)手術(shù)工具末端所受的力學(xué)信息。雖然本體感知的精度會(huì)略遜于外體感知，但減小了手術(shù)工具的機(jī)構(gòu)復(fù)雜度、降低了其消毒和制造的難度。

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2、三維重建與圖像識(shí)別

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三維重建是通過內(nèi)窺鏡影像或者結(jié)構(gòu)光等手段在手術(shù)過程中生成組織和器官表面的輪廓，為醫(yī)生提供術(shù)場(chǎng)信息。由于使用結(jié)構(gòu)光涉及額外的術(shù)場(chǎng)成像設(shè)備，當(dāng)前的熱點(diǎn)較多集中在基于內(nèi)窺鏡影像的SLAM技術(shù)：通過返回的實(shí)時(shí)視野圖像，重建術(shù)場(chǎng)環(huán)境并同時(shí)更新內(nèi)窺鏡鏡頭的位姿。

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視野中的手術(shù)器械和組織經(jīng)過圖像識(shí)別和切割，可有助于醫(yī)生對(duì)于術(shù)部環(huán)境的感知。手術(shù)器械可通過其顏色、幾何特征、紋理特征或者額外附著的標(biāo)記物作出識(shí)別。然而體內(nèi)器官和組織往往不具有明顯的區(qū)別性特征，因而可以通過注射熒光顯影劑，并用近紅外光照射，獲得熒光影像；也有研究采用隨機(jī)森林、支持向量機(jī)、卷積網(wǎng)絡(luò)等基于人工智能的方法對(duì)組織進(jìn)行辨識(shí)。

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3、定位導(dǎo)航技術(shù)

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在骨科和神外手術(shù)中，通過術(shù)前和術(shù)中獲取病灶基準(zhǔn)位置可開展智能規(guī)劃切割和植入的路徑，有利于手術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化展開、避免術(shù)中多余的X光輻射等。當(dāng)前的定位技術(shù)依據(jù)原理可分為機(jī)械型、超聲型、光學(xué)型和電磁型。其中諸如定位框架的機(jī)械定位技術(shù)較成熟但對(duì)病人的侵入性較大；超聲型有著穩(wěn)定性和精度差的缺陷；光學(xué)型雖使用靈巧但易受遮擋；電磁型則受限于工作區(qū)域易受電磁干擾的劣勢(shì)。

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三、手術(shù)機(jī)器人的控制模式

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1、主從遙操作范式

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為滿足醫(yī)生的操作需求、改善手術(shù)機(jī)器人的工作空間和靈巧度，從動(dòng)端手術(shù)機(jī)器人與主控端的力位交互設(shè)備往往具有不同的機(jī)械拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也因此需要額外建立關(guān)節(jié)配置空間和工作空間的映射。在工作空間內(nèi)，手術(shù)機(jī)器人的目標(biāo)位置和姿態(tài)控制指令的下發(fā)可采用增量式或絕對(duì)式控制。對(duì)機(jī)器人從工作空間到關(guān)節(jié)空間的求解算法則可歸納為解析算法、迭代算法、基于圖形學(xué)的啟發(fā)式算法和機(jī)器學(xué)習(xí)類人工智能算法等。

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2、主控端力位交互設(shè)備

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力位交互設(shè)備可以將采集到的醫(yī)生手部位姿信息下發(fā)給從動(dòng)端，并向操作醫(yī)生輸出一定的力旋量，使其擁有仿佛在親手操作手術(shù)的“透明化”感覺。在空間中，位置和姿態(tài)信息，與力和力矩信息均在六維空間內(nèi)表達(dá)，因此根據(jù)維度的不同全球眾多科研機(jī)構(gòu)和公司開發(fā)了多種產(chǎn)品。目前較為成熟的通用化產(chǎn)品大多出自Force Dimension和3D Systems公司。

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3、協(xié)同控制

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有研究指出基于算法的協(xié)同控制可以有效提供位置和力學(xué)信息有助于提高手術(shù)的安全性、精準(zhǔn)度和手術(shù)效率。目前主要有兩類協(xié)同控制：在指引型控制中，算法輔助醫(yī)生操控手術(shù)工具沿著設(shè)定的路徑或者組織表面運(yùn)動(dòng)；在禁止型控制中，手術(shù)工具被阻隔在給定的區(qū)域外，以避免對(duì)人體組織的破壞。目前協(xié)同控制已經(jīng)被用來改善諸如遞針、縫合、打結(jié)等基本操作。