第1章
手术机器人发展历程

微创手术是现代外科发展的重要趋势，随着世界科技的爆发式发展，医疗行业也搭上了科技发展的快车，尤其是腔镜微创外科和精准手术外科技术等的发展更是日新月异，其中最具革命性的尖端外科技术就是机器人手术。机器人手术操作系统是一项集医学、机器人学、机械学、生物力学、计算机技术等为一体的交叉系统。相较于传统腔镜手术，它的器械臂提供了更加自然灵巧和全方位的精细操作，超越了人手的极限，通过过滤人手不自主的震颤，达到快速、准确地完成解剖和缝合等功能。此外，还可避免外科医生长时间站立操作的辛苦，解放了外科医生，使外科手术朝着更加精准、稳定和高效的方向大步迈进。

早在1985年，美国人就尝试用Puma 560工业机器人辅助进行脑组织活检，这也是手术机器人最初的雏形和人类对其进行的探索。直到1994年，美国电脑动作（Computer Motion）公司研制了第一台用于辅助微创手术的内镜手术系统——伊索系统，即最佳定位自动内镜系统（automated endoscopic system for optimal positioning，AESOP）。该公司首先获得美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）的正式批准，允许其在手术室使用能自动控制腔镜位置的器械臂。这种器械臂模仿了人手臂的功能，它由声音或脚踏控制，通过事先录制的规定声音命令，实现声音录入者（主刀医生）对器械臂的控制功能。同时，AESOP器械臂能代替扶镜助手，为外科医生提供一个自主且平稳的术野环境。AESOP虽然不能独立执行指令进行手术操作，但这却是人类在机器人外科手术领域迈出的关键一步。

随着摄像控制方面取得的进步，逐渐形成了主-仆式远距离操作机器人（masterslave telemanipulator）的概念，即外科医生通过远离患者的主控制台来控制手术操作系统。该技术是将计算机连接在外科医生的手和手术器械之间，以期利用计算机来增强手术操作的灵活性。设计者在主控制台上设置了两个主控装置控制机器手臂，外科医生的每次操作都能传达到机器手臂，机器手臂控制着患者体内手术器械的操作并缩小移动幅度，以一种比例遥控的方式服从于主控装置的所有命令，这一发明解决了手术机器人研发的关键技术问题。

1996年初，Computer Motion公司在AESOP的基础上结合主-仆式远距离操作系统理念研制了一款功能更为强大，具有良好视觉系统的机器人手术系统，即宙斯（Zeus）系统。它由AESOP声控内镜定位器、赫米斯（Hermes）声控中心、Zeus机器人手术系统（左右器械臂、术者操作控制台、视讯控制台）和苏格拉底（Socrates）远程合作系统组成。它的中间器械臂是AESOP声控摄像臂，左右两条器械臂可操作4 mm的手术器械，其手术器械有两种：一种是传统的长直杆腔镜手术器械；另一种是带一个关节腕的手术器械。其具有6个方向的活动自由度（传统器械的5个自由度和关节腕左右方向的1个自由度）。手术时，医生坐在控制台前实时监视成像屏幕，语音控制AESOP内镜，手柄控制固定在手术床滑轨上的器械臂，脚踏控制电外科设备，其机械手模仿人类手腕完成各种手术操作。后来，宙斯系统由于其系统的局限性，被美国直觉外科（Intuitive Surgical）公司所收购。

2000年1月9日，Intuitive Surgical公司成功研发出达芬奇手术机器人操作系统（da Vinci robot system），同年7月，FDA批准达芬奇手术机器人操作系统在临床使用。达芬奇手术机器人成为世界上第一个合法的商品化手术机器人，其系统也逐渐成为今日世界上外科手术机器人系统的主流。

Intuitive Surgical公司在产品研发之初确定了4项关键设计准则：第一，也是最重要的，是系统的安全性能，即系统应具有失效保护功能，以确保手术的安全开展；第二，系统需要提供给医生对器械的直观控制功能；第三，器械末端需要具有灵活的6个以上自由度，以满足手术操作需求；第四，系统需要有逼真的三维视觉效果（三维内镜）。这些设计准则保证了系统能够恢复医生在普通腔镜手术中失去的能力，其技术支持主要来源于SRI国际研究所（SRI International）、国际商业机器公司（International Business Machines Corporation，IBM）和梅森工业技术（Mason Industrial Technology，MIT）公司。

1995年，SRI公司设计的原型机具有4个器械自由度（含末端开合），使用一个主操作手来直观地控制器械末端的运动，主操作手和从操作手的机械配置比较相似，因此，可以简化主从控制的计算。后来Intuitive Surgical公司基于这一代原型机在3年内又开发了3代样机，最终研发出了达芬奇手术机器人操作系统并上市销售。达芬奇手术机器人操作系统的命名早在Intuitive Surgical成立初期就已经确定下来，但早期的原型机不叫da Vinci，是因为该公司希望这个名字被保留给产品使用。取名为达芬奇（da Vinci）是因为列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）是文艺复兴的代表性人物，他将艺术、科学、解剖学和工程学结合在一起应用于他的发明和创造事业，这很符合Intuitive Surgical公司的愿景。事实证明，这个名字也给产品带来了很高的知名度和认可度。

从销售第一台达芬奇手术机器人到之后的4年里，Intuitive Surgical公司将主要精力集中在处理安全性的问题及扩充生产和销售团队上，使得产品的质量一直在提高，销售量不断增加。

最初的达芬奇手术机器人操作系统由3个基本部分组成，即一个控制台、一个装摄像机的成像车和一个装有3个器械臂的可移动操作车。它的立体视觉系统采用了两个索尼的阴极射线显像管（cathode ray tube，CRT）显示器，并应用反光镜实现了简化立体显示系统的效果，但视觉效果并不理想。在此基础上，Intuitive Surgical公司采用奥林巴斯的单路光学通道加双路摄像头的设计方案（摄像头在内镜末端），虽然图像质量得到了提升，但是立体效果仍然无法让人满意。最终，Intuitive Surgical和精密光学公司（Precision Optics Corporation，POC）签订创作协议，它们将两路5 mm棒状镜光路系统安装在12 mm内镜中，然后将图像导入内镜后端的三晶片摄像头，从而得到了较满意的立体成像效果。

此外，针对器械与器械臂连接不可靠的问题，它们通过应用滑块联轴器的方法得到了解决，明显地降低了器械和平台接口连接处对器械精度的影响。医生控制台主操作手端也有很明显的改进，开始是一个套管伸缩式的设计，改成了一个类似铲斗结构，与从手端的构型明显不同，但是大大增加了工作空间和可靠性。

2003年，患者端的机器人操作系统由原来的3个器械臂增加到4个器械臂，为手术医生提供了更为强大的手术控制能力（如牵扯组织、分离组织等功能），同时也增加了不同臂之间切换功能的控制能力，并将手术器械种类由原来的6种扩充到50余种。

2006年，Intuitive Surgical公司推出了第二代达芬奇手术机器人操作系统——da Vinci S。该系统通过人机工程学设计把术前的调节准备时间减少了50%，明显提升了手术效率。这一代机器人从患者端到医生控制端及图像车都更为轻巧、方便和灵活，第4条臂也被更好地融合到设计中，分布式的电源和控制系统设计大大减少了线缆的长度，视觉系统提升为宽屏笔记本屏幕（wide extended graphics array，WXGA）（1280×800像素）高分辨率，使之更适应内镜系统。患者端操作系统增加了一个触摸屏和图像车触摸屏系统（TilePro系统）来提升交互和控制能力，这些改进大大提升了医护人员的操作体验，更加满足市场的应用需求。

随着外科手术技术的发展，临床上对手术机器人的使用意愿和要求也在不断增加。2009年，Intuitive Surgical公司又继续推出了第三代达芬奇手术机器人操作系统——da Vinci Si。与前一代产品da Vinci S着重改进患者端操作系统不同的是，新一代的da Vinci Si重点考虑的是医生操作平台和图像车的功能改进，以精简平台来满足市场的需求。其改进内容包括触摸屏改为宽屏，并且支持更高的分辨率（1440×900像素）。其将视觉控制系统由原来的分体模式（内镜控制器和机器人控制器分开）整合为将视觉系统集成在一起，将视觉控制调整由原来的两个步骤变为一个步骤。另外，内镜摄像头的体积也进一步缩小，方便人手握持，并且对图像系统的设置步骤也进行了简化，更便于临床操作。双医生控制台的方案也是这时提出的，该技术采用“交换控制”的方案允许医生共同控制机器人的器械，这样可以更方便医生培训及协作手术。

2014年，Intuitive Surgical公司又推出了第四代达芬奇手术机器人操作系统——da Vinci Xi（图1-0-1）。da Vinci Xi是目前世界上最先进的外科手术设备之一，与前三代手术机器人相比，第四代达芬奇手术机器人操作系统具有更清晰的裸眼三维影像系统。该系统自带智能图像处理功能，使手术视野更加清晰、逼真，成像功能更强大，被称为“水晶样清澈的三维高清视野”。它的成像系统具有多角度自动切换功能，使肿瘤全方位、无死角地呈现在医生的视野中。此外，它的颤抖自动滤除和直觉式操控技术，使医生的操作更稳定、自然，使手术更精准、精细和安全。术者还可以自主控制镜头和器械的操作，避免了与助手之间配合不熟练引发的安全性及低效率等问题。它的器械设计也更加灵活，7个自由度的可转腕手术器械，其弯曲及旋转的程度远超越人手极限，灵活度远超人手功能。

达芬奇手术机器人操作系统可以说是目前世界上最先进、最成熟，也是市场运营最成功的手术机器人操作系统。截至2020年12月底，全球的装机量已达到5989台，参与手术量超过850万台。仅2020年，完成手术量就超过120万台，全球平均每25.4 s就会有一位外科医生使用达芬奇手术机器人进行手术。

远程手术技术可以说是外科手术发展史上一个里程碑，而手术机器人技术的发展，为远程手术技术的实现提供了物质基础。不同于传统同一物理空间下的手术机器人，远程手术机器人需要将医生操作端与手术操作端放置于不同物理空间下，手术医生借助视频、音频、图像、力觉等临场感的装备与技术开展外科手术。构建远程手术机器人系统，不仅要考虑其功能是否稳定，还要为其添加可靠的远程通信系统。其中，机器人系统应包含远程手术器械臂、医生操作台、附属的腔镜系统和手术器械单元；远程通信系统要为机器人主从两端的多模态信号传输提供网络通道，只有同时满足这两者的要求才能实现真正意义上的远程手术操作。

早期远程手术的项目研发资金主要来源于军用基金。来自美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）的理查德·萨塔瓦（Richard Satava）对手术机器人用于战场很感兴趣，于是在20世纪90年代早期给远程机器人项目提供资金，旨在让前线战场受伤的士兵立刻得到救助，而医生可以留在安全的后方。在伊拉克战争中，这种前线外科手术方式变成了在前线稳定伤员并且迅速撤离伤员的方法，而DARPA提供的研究基金对支持早期的远程手术研究起到了巨大的作用。后来，随着远程机器人手术的不断发展和网络技术的不断进步及5G时代的来临，远程手术不再局限于战时用途，而是进一步达到了医疗资源共享，有效改善医疗资源的偏态分布、节省医疗资源与费用，提高患者救治率的目的，成为微创手术发展的新趋势。

2000年，米拉利（Mirali）等首先报道了5例从美国巴尔的摩到意大利罗马的机器人远程手术指导实验，其中4例获得成功；同年，谢（Cheah）等完成了新加坡到美国巴尔的摩的远程腹腔镜胆囊切除术。2001年，马雷斯科（Marescaux）等完成了世界首例从美国纽约到法国斯特拉斯堡横跨大西洋的机器人远程胆囊切除术，这是远程手术的一个里程碑，验证了远程手术技术的可行性，标志着外科手术跨时代的飞跃。

迄今，外科手术的发展经历了开放术式手术、腔镜手术、机器人手术、远程手术等不同阶段，标志着人类在外科手术历程中的不断进步和完善，人类探索的脚步从未停歇。除了市场占有份额最大的达芬奇手术机器人系统外，国内外有越来越多的团队也开始进入外科手术机器人研究领域，进行探索和研发，如美国华盛顿大学开发的小型微创外科手术机器人系统——Raven；波兰罗兹理工大学开发的类似da Vinci系统的微创外科手术机器人；德国宇航中心开发的轻型臂微创手术机器人系统——MiroSurge；韩国米尔（Meere）公司发布的腹腔镜手术机器人——Revo-i；美国美敦力公司研发的手术机器人系统——Hugo RAS；德国阿瓦特拉医疗（Avatera Mediral）公司研发的腹腔镜微创手术机器人系统——Avatera；哈尔滨工业大学、苏州康多机器人有限公司、上海微创医疗器械（集团）有限公司等国内许多团队研发的手术机器人系统，可以说是百花齐放，各显神通，这些说明机器人手术时代已悄悄来临。

未来，手术机器人将会设计得更加小巧，具有更高的安全性、稳定性，以及更优的操作性能，以满足更多复杂环境下手术的需求。随着计算机技术和医学成像技术的发展，手术机器人还可以利用图像资料为医生进行手术导航和定位，并为手术方案的制定提供更为直观的信息。甚至还可以与人工智能（artificial intelligence，AI）、虚拟现实（virtual reality，VR）、增强现实（augment reality，AR）等高技术模块相结合，真正实现机器人自主手术，而人类只是起到监督和处理应急事件的作用而已，就像自动驾驶汽车一样，可以真正实现无人驾驶技术。

（侯晓敏　郭　莉） p0C/T1k+2jjSZpW/XeWdkgsFYqcIC9dhS15BA51waHKiXADE4xbiXzPN2JQTMWSI