手术机器人系统及远程外科技术.doc

手术机器人系统及远程外科技术随着现代科技的高速发展，机器人技术已在航空航天、工业自动化、生物技术等诸多领域中得到应用，正越来越成为科学界研究的热点。该技术在生物医学方面的应用更为世界所瞩目。医用机械手、远程手术系统和虚拟现实技术已逐渐由试验阶段走向临床应用，呈现出广阔的前景。辅助内镜手术机器人系统作为微创外科手术（Minimally Invasive Surgery）之一，腹腔镜手术（Laparoscopic Surgery）已得到迅速发展，而且正在涉及更为复杂的手术领域。但目前手术中的持镜方式的不足之处在于：（1）内镜要由一名专职扶镜手控制，难以保证内镜的准确定位和图像的稳定性；（2）术者和扶镜手在术中缺乏触觉感受，容易产生误动作，损伤脏器和组织；（3）扶镜手需经专门训练，影响了这项先进技术的推广。美国、德国和日本等国均已开展研究，由工业生产中广泛使用的机械手为基础研制外科手术用机器人（Surgical Robot），用于术中持镜，使术野的图像更精确、稳定，手术更安全有效。目前研制的各种机械手，以美国摩星（Computer Motion）公司的持镜机器人伊索（AESOP）为代表，大都具有4个以上的自由度，拥有肩、肘、腕关节“万向角度”活动能力，不受患者体位变动的影响，有效地扩展了手术视野和探查范围。最新型的AESOP3000拥有7个自由度。对内镜操作的控制方式也由测量医生头部佩带的感应线圈运动控制、脚踏控制、操纵杆控制、主动视觉引导控制，发展到最新的语音控制。术前录制手术者的语音命令，持镜机器人可随术者声控准确地移动腔镜镜头，避免了助手的人为干扰。长时间的电视荧屏前工作，射线、图像抖动及视野摆动，都会使术者产生视疲劳，甚至产生烦躁等荧屏综合征的症状。持镜机器人完全替代持镜手的工作，并能提供更加清晰、稳定的图像，将手术者的思维与图像达到高度统一，减少视疲劳，提高工作效率。现有的持镜机械手作为远程机器人手术系统的一部分，为机器人遥控手术（Teleoperation）系统的发展打下了坚实基础。 远程手术机器人系统目前全世界已有许多先进的自动机械辅助外科设备，这些系统远较机械扶镜手系统要全面和复杂，可以预见，由机器人完成手术的时代即将到来。外科医生们正在试验性的运用机器人手术系统为患者做心脏搭桥及腹部多种高难度手术。这类尖端手术系统以Intuitive Surgical公司的“达芬奇”系统（Da Vinci）和摩星公司的“宙斯”系统（ZEUS）为代表。美国食品与药物管理局（FDA）已批准商业出售这类设备后，机器人外科更得以迅猛发展。机器人手术系统主要由高质量监视器、手控计算机操作系统、宽带有线网络和机械辅助设备等构成。机器人实施手术时医生们不再与病人直接接触，而是远离手术台坐在控制系统之前，通过观察监视器操作控制系统，外科医生的每一个动作均通过计算机传递给手术台边的机械手，机械手的前端安装着各种微创手术器械。外科医生和机器人之间体现出实际上的“主从”关系，机械手忠实的模拟外科医生的技术动作。手术进展实况通过伸入患者体内的内镜，以高清晰的画面传递在监控器上。在手术现场，仍需要一位助理医生监控机器人手术的实施状况，并根据需要随时为机械手更换手术器具和妥善地处理意外事件。 “达芬奇”和“宙斯”都具有高质量的3D呈像系统，通过立体眼镜呈现出手术野的三维图像；而“达芬奇”更具备力学反馈装置，计算机能模拟手术中机械手进行操作时所感受到的来自组织的阻力，传递给医生，从而为更好的控制机械手的动作提供了直观的触觉感受，这被认为是一项革命性的创意。随着自动辅助外科设备的发展和应用，研究人员提出了远程外科（telesurgery）的设想。即远距离进行由计算机协作的机器人手术操作，而这必将是机器人手术技术革命的下一阶段研究方向。这一概念提出后，试验经费最早由美国国防部提供。远程机器人手术的可行性试验开始于1991年。这一系统研制的意义在于一旦远程手术技术成熟后，在军事领域中，将允许外科医生在远方为伤员实施手术。例如海军陆战队员受伤后，只需将他抬入战场上配备自动机械外科设备的装甲车中，几分钟内，远在数百公里外的战区医院的医生就能如身临其境般的替他进行手术；而在非军事领域，远程手术系统能够为偏远地区的患者实施手术；远程外科为医生的培训方式也带来了变革，外科专家可以在千里之外跨国、跨地域的通过高速宽带网络和远程机器人系统组织手术和教学演示，通过实时传送的高清晰图像对手术医师进行指导，甚至可以亲自控制内镜摄像头的移动和手术器械的操作。目前的远程手术系统仍处于实验室研究和初期临床试验阶段，其较难克服的困难在于高昂的研究费用以及诸多技术障碍。因遥远距离造成的时间延迟现象尤为突出，从医生的手开始操作到机械手模仿这一操作实施动作的时间延迟如超过200毫秒，就能够造成动作偏差，产生误损伤；满足手术要求的高质量的图像传输要求宽带网络的传输速率不能低于90Mbps,一般网络速度目前还很难达到。未来与展望辅助内镜机械手和远程手术机器人均是涉及多学科领域的综合性尖端医疗技术，远程手术系统是提高手术精确度和安全性，并使外科医生