醫用機器人的研究與發展

武漢商業服務學院機電工程與汽車服務學院 張紅霞

1.引言

機器人在應用上有兩個突出的特點：一是它能夠代替人工作，代替人進行簡單重復，臟亂危險環境，勞動強度大的工作；二是擴展人類的能力，它可以做人很難進行的高細微精密的作業，以及超高速作業等。醫用機器人正是運用了機器人的這兩個特點，具有選位準確，動作精細，避免病人感染等特點；譬如在血管縫合手術時，人工很難進行細1毫米以下的血管縫合，如果使用醫用機器人，血管縫合手術可以達到小于0.1毫米的精度。

醫用機器人是一個新興的、多學科交叉的研究領域，涉及眾多領域知識和技術，研究醫用機器人不僅能促進傳統醫療技術的變革，而且也會對這些相關技術的發展產生積極的推動作用，具有重要的理論研究意義。目前，醫用機器人的研制主要集中在手術機器人、康復機器人和醫院服務機器人系統等幾個方面，本文詳細介紹了國內外有關醫用機器人的研究現狀，并探討了今后的發展方向。

2.手術機器人

近年來，各種醫用機器人的概念和模型被提出和研發；而在眾多的醫用機器人研究中，手術機器人得到了相關研發人員的重視。手術機器人最早源于美軍機器人手術和遠程外科計劃。1994年，由美國國防部下屬的國防高級研究計劃局（DARPA）研制成原型機。商業化的手術機器人則最早出現在1994年，由美國Computer Motion公司研制，命名為AESOP；該機器人實質上是一種聲控腹腔鏡的自動“腹鏡手”。1997年3月，比利時布魯塞爾St Pierre醫院利用AESOP系統成功完成第一例腹腔鏡手術——膽囊切除術。1998年，Computer Motion公司研制的Zeus系統，Intuitive Surgical公司研制的da Vinci系統，和endoVia公司研制的Laprotek系統分別獲得了成功；其中da Vinci系統在國際上影響最大。這三系統均由三大部分組成：醫生操縱臺，機械手和內鏡裝置。Zeus系統采用純信號方式實現醫生操縱臺對機器臂的控制，在傳輸距離上不受視頻延遲的影響；2001年9月首次實現跨大西洋（美國紐約-法國斯特拉斯堡）的機器人腹腔鏡膽囊切除術。最近，美軍正在研究遠程微創外科手術機器人，采用da Vinci系統在美國華爾特里德陸軍醫學中心和約翰霍普金斯醫院之間（相距64 km）開展遠程手術。

在國內，海軍總醫院和北航機器人研究所共同開發出智能化遠程外科手術系統，被稱為“遙操作遠程醫用機器人”。2002年，首次成功使用該機器人為一腦腫瘤患者做了立體定向活檢手術。專家先通過電腦網絡接收病人信息，分析病人CT影像，進行手術規劃，然后遙控操作手術室內的機器人開始手術；機器人根據專家指令，自動搜索手術部位，并迅速鎖定立體定向穿刺路徑；20分鐘后，成功地取出病變組織。2006年3月，我國首例通過互聯網異地操控機器人的骨科手術在陜西延安獲得成功；該手術為脛骨髓內釘手術，由1300公里外的北京專家通過互聯網遠程遙控機器人實施。

微型機電技術的不斷深入發展為微小型機器人甚至納米機器人提供了技術支持，它可以直接進入人體器官內部進行工作，完成組織取樣、血管疏通、藥物定點放置、微型手術和細胞操作等普通醫療技術和手段無法完成的工作。目前，國內外正在研制和開發體內自主行走式診斷治療、體內微細手術和體內藥物直接投放微型外科手術機器人。

目前醫療外科機器人系統的研究主要集中在幾個方面：

(1)機器人機構研究：研究新的機器人本體，以拓寬機器人輔助外科的應用范圍。

(2)機器人運動控制和路徑規劃研究：使機器人的運動精度更高，當運動路徑的選取更加科學時，系統整體的安全性就更好。

金融監管機構要加強對第三方移動支付的監管，全面有效地監督第三方移動支付交易的具體操作，采取措施掌握第三方支付平臺參與者信息的真實性和第三方移動支付交易的合法性，打擊洗錢、網絡詐騙等違法行為，營造良好的金融市場環境，增強第三方移動支付平臺交易的安全性。

(3)虛擬現實技術和通訊技術在醫療外科機器人系統中的應用研究：使虛擬臨場手術系統更加實用化。

(4)臨床應用研究：任一醫療外科機器人系統，在完成系統設計和實驗室試驗后均需要進行臨床應用研究，以確定系統對臨床應用環境的適應性。

(5)系統集成研究：在完成系統各組成部分的研制后，通過系統集成研究將各部分有機組織起來，使最終系統的性能獲得最佳。

(6)操作界面研究：以進一步提高醫療外科機器人系統的可操作性。為了醫生和醫療機器人系統自如的交互，系統應盡可能為醫生提供直觀的交互平臺。

（7)仿射變換研究：建立病人的某種圖像信息與人體標準圖譜的關系，以較低的成本和較高的速度獲得用于規劃、導航和仿真系統的病人三維立體模型。

應用外科輔助醫療機器人進行手術，可以極大的提高手術的準確性和可靠性，它的出現將對現代醫學工程的發展產生深遠的影響，在醫療手術領域具有廣泛的應用前景。外科輔助醫療機器人系統將在應用中不斷得到完善，并將改變外科醫生處理患者的方法。它不僅會對常規醫療帶來一系列的技術變革，而且對臨床護理及康復工程等的發展都將產生深遠的影響。

3.康復醫療機器人

康復機器人作為醫療機器人的一個重要分支，它的研究貫穿了康復醫學，生物力學，機械學，機械力學，電子學，材料學，計算機科學以及機器人學等諸多領域，已經成為了國際機器人領域的一個研究熱點?？祻椭委煓C器人是康復醫學和機器人技術的完美結合，不再把機器人當作輔助患者的工具，而是把機器人和計算機當作提高臨床康復效率的新型治療工具。這是一個囊括了生物力學或生物物理化學、競爭運動控制理論、訓練技術和人機接口問題等諸多方面的復雜問題。目前，康復機器人已經廣泛地應用到康復護理、假肢和康復治療等方面，這不僅促進了康復醫學的發展，也帶動了相關領域的新技術和新理論的發展。

康復機器人能夠為患者提供規律性的運動肌能恢復性訓練和神經感知訓練，從而提高他們的獨立生活能力，這對改善生活質量，促進社會和諧具有重要的現實意義?？祻陀柧殭C器人與傳統工業機器人有著很大的區別。人作為系統的一部分參與機器人的運動和控制，對機器人的安全性!舒適性都提出了特殊的要求。

康復機器人可分為輔助性和治療型兩種。輔助型康復機器人主要用來幫助老年人和殘

疾人更好地適應日常的工作和生活，部分補償了他們弱化的機體功能；治療型康復機器人用來幫助患者恢復機體功能。目前，康復機器人的研究主要集中在康復機械手、智能輪椅、康復治療機器人以及家庭和單位之間的交互設備及智能控制界面等幾個方面。

基于移動機器人的機械手目前最先進的康復機械手。這種機械手安裝在移動機器人或者是自主或半自主的小車上從而適于更多的患者使用，同時擴大了機械手活動空間并提高了抓取精度。S.Tachi等人在MIT日本實驗室研制了一種移動式康復機器人MELDOG，作為“導盲狗”以幫助盲人完成操作和搬運物體的任務。法國Evry大學研制了一種移動式康復機器人ARPH，使用者可以從工作站實施遠程控制，使移動機器人實現定位和抓取操作。這種機械手系統一般要由視覺、靈巧操作、運動、傳感、導航及系統控制等子系統組成。

輪椅式下肢殘疾是失去行走能力的老年人的主要交通工具。目前，各類傳感器和高效的信息處理及控制技術在輪椅上的應用，使輪椅成為高度自動化的智能移動機器人。意大利的TGR S.R.L公司開發了一種結合輪椅與小車結構的智能輪椅，它不僅能在規則的地上行走，還可以上下樓梯。

康復治療機器人在醫療實踐上主要是用于恢復患者肢體運動系統的功能。目前神經運動康復治療機器人的研究比較活躍，用來康復治療與神經運動有關的疾病，包括中風，帕金森氏病和大腦性麻痹癥。美國麻省理工學院研制了一種幫助中風患者康復治療的機器人MIT2MANUS，它有2個自由度，可以實現病人的肩、肘和手在水平和豎直平面內的運動。在治療過程中，把病人中風的手臂固定在一個特制的手臂支撐套中，手臂支撐套固定在機器人臂的末端。病人的手臂按計算機屏幕上規劃好的特定軌跡運動，屏幕上顯示出虛擬的機器人操作桿的運動軌跡，病人通過調整手臂的運動可以使兩條曲線盡量重合，從而達到康復治療的目的。

現在的康復機器人技術正朝著以人為本的要求發展，強調人機互動和舒適安全性?？祻蜋C器人技術在發達國家已有較成熟的發展并形成了產業，在我國，這個領域尚處于起步階段，相信隨著社會經濟進一步發展，以及構建和諧社會對殘疾人事業的日益重視，康復機器人技術必將在21世紀迎來新的飛躍。

4.醫院服務機器人

移動機器人也許是解決目前醫院服務上一些缺陷的方法，完成一些沉重的工作，如抬起病人去廁所或為失禁病人更換床單等，一些醫院服務機器人近年來得到發展，一般用來輔助護士完成食物、藥品、醫療器械、病志等的傳送和投遞工作，如美國運輸研究會（Transition Research Corporation，TRC）（現在叫HelpMate Robotics）研制的“HelpMate”機器人，可以24小時的在醫院里完成運送食物和藥品的工作，與工廠所使用的自動輸送車不同的是，這種機器人不是沿著固定的軌道網絡行走，而是基于傳感器和運動規劃算法實現自主行走，適合于部分結構化的環境（Structured Environment），系統也能處理傳感器噪聲、誤差和定位錯誤，發現并避開障礙物。這種機器人已在數家醫院安裝，一些醫院報告說工作效率大大提高。

日本機械工程研究所開發的“MELKONG”護理機器人，專門用來照顧那些行動不便的病人。該機器人可以輕松而平穩地將病人從床上托起，并將病人送往衛生間、浴室或餐廳。平時該機器人由護士操縱，但在夜間，病人也可以通過操縱手柄進行控制。一些關鍵技術，如?？?、行走、抓取、人機界面等都已經解決。

在醫院服務應用領域，轉運機器人近年來受到越來越多的關注和重視。轉運機器人主要用于危重病患者的特殊檢查、挪動、轉床、手術和麻醉前后的接送和戰場傷病員的后送，避免傷病員的再損傷。據統計，在美國辭職的醫護人員中，大約有12%的人是因為長期從事患者的搬運而引起背部的損傷而不得不離開工作崗位，1996年和1998年，英國和澳大利亞相繼頒布了“非人工”搬運患者的政策，2003年，國護理聯合會呼吁取消人工搬運患者，采用器械或機器人搬運患者，并于2004年在加利福尼亞洲獲得通過。2007年，燕山大學王洪波教授和日本Fumio Kasagami教授共同研制出“C-Pam”轉運機器人，采用接觸點相對靜止技術，不需移動患者身體的任何部分，患者就會被移動到床板上。整個過程只需一個護理人員控制遙控器即可完成，不僅減少了患者的痛苦，減輕了護理人員的工作量，還大大地提高了工作效率。但是，它不具有水平移動和垂直舉升能力，屬于被動式轉運，行走機構還是采用常用的導輪推車，傳感器少，自動化和智能化水平相對比較低。轉運機器人在保證患者無痛轉運的前提下，還要易消毒滅菌，行走靈活，控制簡單，安全可靠。隨著技術的進步，轉運機器人正朝著自動化和智能化方向發展。

5.結束語

醫用機器人的應用極大的推動了現代醫療技術的發展，是現代醫療衛生裝備的發展方向之一。手術機器人具有高準確性、高可靠性和高精確性，提高了手術的成功率；康復機器人具有智能化，可為傷員、病人與老年人提供康復護理和服務。隨著科學技術的不斷更新、社會的老齡化以及醫療技術的發展，各醫療機器人及其輔助醫療技術將得到更深入而廣泛的研究和應用，各種新型的醫用機器人機構、新型手術工具、醫學圖像采集和處理技術、遠程系統傳輸技術、智能傳感器、智能輪椅及其它相關技術仍是研究熱點。

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