数字化智能型微创外科机器人手术系统.doc

数字化智能型微创外科机器人手术系统一、方案简介随着计算机和微电子技术以及医学科学的迅猛发展，各种用途的医用机器人正在医学领域中得到越来越广泛的应用。它集机器人、电子通讯、图像处理、虚拟现实、微创手术等诸多技术于一身。医疗手术机器人是其中的前沿研究热点之一。目前，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、泌尿外科手术等方面取得了广泛的应用，在提高手术效果和精度的同时，也不断开创新的手术，并向其他领域扩展。数字化智能型微创外科机器人手术系统，可用于心脏外科如搭桥手术、脊柱外科如脊柱椎弓根钉的植入、骨科的全膝和全髋关节置换等，替代外科医生对患者实施高难度高复杂的精细手术，误差仅为0.05mm，而人手的误差可到1到4mm，因此可大大增强手术的准确性和安全性，减小术后并发症。另外，由于手术操作实现了数字化，可借助互联网实现全球专家远程手术，为未来外科手术的发展趋势。图1 手术机器人原理框图由于手术者手工操作器械引起的器械抖动、偏差，往往导致手术器械偏离预定的手术路径和方位，对患者造成威胁。另外，依靠手术医生手工控制手术器械，长时间也会造成手术者身体疲劳，致使对手术器械的操作精确度下降。与医生手工操作相比在某些方面具有极大的优势，因为机械手的定位比人准确、有力得多，手术过程中外科医生不必长时间地站在病人周围，从而避免手术带来地疲劳。长时间的手术可能造成外科医生手臂颤动，而机械手绝不会出现这种情况。例如在脊柱椎弓根钉植入时，手术者需要根据患者脊柱椎弓根的结构与形态，确定一个安全的椎弓根钉植入路径，需要在一段手术过程中保持手术器械一定的角度和方位，以避免螺钉植入过程中，误伤患者的脊髓神经或者椎动脉血管，造成严重术中并发症或者手术失败。手术机器人可以保证既能术中手术器械的路径和方位的精确选择，又保证了在手术过程中机械臂精确、安全地操纵手术器械，完成精细的手术操作。正由于机器人的上述优点，手术机器人的临床应用已经扩展到外科的各个领域。手术机器人在精细手术领域（如脊柱外科等）的应用，将极大的提高手术的安全性，节约手术医生的体力，在国外，特别是北美和欧洲，极具市场潜力。国外现有的产品还尚未涉及此领域，我们在该领域的研究工作起点较高，首次在国际上将手术机器人应用于外科脊柱手术，我们还将研发出具有自主知识产权，可以走向国际市场的微创外科手术机器人系统。二、研究背景目前，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、泌尿外科手术等方面取得了广泛的应用，在提高手术效果和精度的同时，也不断开创新的手术，并向其他领域扩展。一般形成产品或投入研究的手术机器人的分类有3类：（1）放射外科机器人美国Accuray公司生产的用于放射外科治疗的机器人CyberKnifeTM 。该机器人能携带放射线发生器，精确地向患者的肿瘤靶区发射放射线，以摧毁肿瘤，如图2。（a） （b）图2 美国Accuray公司生产的机器人CyberKnifeTM（2）外科机器人美国Intuitive Surgical公司生产的外科的机器人Da Vinci S。Da Vinci S系列机器人（如图3）用于腹腔镜手术中帮助术者把持辅助手术器械和内窥镜。图3 美国Intuitive Surgical公司生产的机器人Da Vinci S（3）微型体内机器人Olympus公司研制的微型体内磁动力手术机器人。该微型机器人微型摄像机和通讯系统，具有自主动力，能够进行肠胃检查或者活检，如图4。 （a） （b）（c）图4 Olympus公司研制的微型体内磁动力手术机器人图5为以色列Given Imaging公司生产的PillcamTM系列胶囊内窥镜。图5 以色列Given Imaging公司生产的PillcamTM系列胶囊内窥镜另一方面，近年来计算机图像引导手术导航技术已发展成成熟产品，并投入临床。如图6为导航引导下的微创脊柱外科手术，术中手术切口大大缩小，仅为35cm，缩小了术中并发症发生的机会，缩短了术后恢复的时间，为未来外科手术发展的方向。然而在计算机图像引导手术导航手术中，手术器械仍由手术医生操纵，手工操作器械往往导致手术器械偏离预定的手术路径和方位，对患者造成威胁。另外，长时间手工控制手术器械，也会造成手术者身体疲劳， （a）导航引导手术器械 （b）手术路径三维重建和可视化 （c） 微创手术切口35cm （d）脊柱椎弓根钉植入的效果图6导航引导下的微创脊柱外科手术针对国际上目前微创手术基本上靠医生手工完成，虽然导航技术和机器人技术有所发展，大量的临床仍是作为辅助手段，医生劳动强度大，操作精度差，手术成功率低。复杂的机器人手术技术虽有报道，但是还未大量推广，单纯等待引进不是我国的解决途径。我国大量的中小城市和边远地区微创手术尚未开展，急待利用网络技术和我国有限的高水平外科专家资源，特别是北京集中了国内外众多的外科专家，发展远程机器人微创手术。国外现有的手术机器人产品，大都进行一些辅助性的、操作较为简单的外科手术，还未涉及难度大，精度要求高的精细外科手术，如外科脊柱手术等等。手术机器人在此类精细手术领域的应用，将极大的提高手术的安全性，节约手术医生的体力，在国外，特别是北美和欧洲，极具市场潜力。我国在该领域的研究工作刚刚起步，但起点较高。我们在国际上首次将手术机器人应用于外科脊柱手术，目前已取得了良好的动物和离体实验的结果。我们还将进一步进行有关的临床试验，同时借鉴国外已有的手术机器人产品的研发和产业化经验，研发出具有自主知识产权，可以走向国际市场的微创外科手术机器人系统。国外数家公司已经实现手术机器人的产品化，如美国的ComputerMotion为NASDAQ上市公司，生产的ZeusTM机器人可用于腹腔和心脏的辅助手术；美国Intuitive Surgical公司生产的外科的机器人Da Vinci S。另一美国公司Integrated Surgical System生产的RobDocTM手术机器人用于膝、髋关节置换，目前正在申请FDA认证。我国也有少数医院引进了手术机器人，但价格昂贵，达到数百万美金。图7 Da Vinci S机器人用于腹腔和心脏的辅助手术三、临床应用和发展本项目具有广阔的的应用前景，数字化智能型微创外科机器人手术系统，可用于心脏外科如搭桥手术、脊柱外科如内固定物的植入、骨科的全膝和全髋关节置换等，替代外科医生对患者实施高难度高复杂的精细手术，误差仅为0.05mm，而人手的误差可到1到4mm，因此可大大增强手术的准确性和安全性，减小术后并发症。另外，由于手术操作实现了数字化，可借助互联网实现全球专家远程手术，为未来外科手术的发展趋势。下面仅举两个例子：（1）脊柱椎弓根钉植入利用本系统的手术机器人进行如图8所示脊柱椎弓根钉植入手术。手术者通过机器人将椎弓根钉精确地植入椎弓根和椎体的位置，以免损伤了患者的脊髓。手术机器人可以分为三个步骤：通过器械适配器控制电动、气动磨钻或者超声刀等手术器械由患者的脊柱（颈椎、腰椎等）部位的椎弓根处先沿一定方向钻如一个孔；在器械适配器上更换攻丝器械（电动或者非电动），由攻丝器械在步骤完成的孔攻上螺纹；在器械适配器上更换改锥器械（电动或非电动），由改锥器械把椎弓根钉植入患者椎弓根和椎体中。（a）（b）图8 导航系统引导下手术机器人进行的脊柱椎弓根钉植入图9 椎弓根钉植入后C型臂照片（2）关节置换利用本系统的手术机器人可以进行如图10所示的髋关节置换手术。在安装金属臼底所用的患者盆骨上的螺钉孔的形成中，由机器人机械臂控制下的手术器械上的手术刀具在患者盆骨上钻出固定螺钉的孔，其方向的精确度可以由机械臂的精密控制获得，保证了人工髋关节的精确安装。（a）（b）图10 导航系统引导下手术机器人进行的关节置换（3）