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【e科专家】于凌涛博士:全球手术机器人的发展现状及前景
令狐小冲 2016-11-22
导语

本文为于凌涛博士在e科在线论坛分享的内容,经过e科编辑整理。于凌涛博士,哈尔滨工程大学副教授、博士生导师,新加坡国立大学高级访问学者。

编者按:本文为于凌涛博士在e科在线论坛分享的内容,经过e科编辑整理。于凌涛博士,哈尔滨工程大学副教授、博士生导师,新加坡国立大学高级访问学者。

于凌涛博士是哈尔滨工业大学本硕博,2006年博士毕业于哈尔滨工业大学机器人研究所,师从蔡鹤皋院士、孙立宁教授,目前任多个SCI期刊 Robotica、Part C: Journal of Mechanical Engineering Science的审稿人,同时任多个国内著名EI源学术刊物,如:《机械工程学报》、《机器人》和北理、西交、南航、中南、哈工大等学报的审稿人,同时也担任教育部学位与研究生教育发展中心硕博论文评审专家。研究方向包括机器人技术、外科手术机器人、机电一体化技术、虚拟仿真技术、机器视觉、并联机器人等。

一,手术机器人的研究历史与现状

近年来,机器人不仅用于工业领域,在医疗系统也已得到推广应用。如大名鼎鼎的手术机器人(SurgicalRobot)的问世不过短短10年,但同样取得重大进展。目前,关于机器人在医疗界中的应用的研究主要集中在外科手术机器人、康复机器人、护理机器人和服务机器人方面。其中,外科手术机器人是目前应用范围最广且最具前景,其提供的强大功能克服了传统外科手术中精确度差、手术时间过长、医生疲劳、和缺乏三维精度视野等问题实际上,手术机器人是一组器械的组合装置。它通常由一个内窥镜(探头)、刀剪等手术器械、微型摄像头和操纵杆等器件组装而成。

据国外厂商介绍,目前使用中的手术机器人的工作原理是通过无线操作进行的外科手术,即医生坐在电脑显示屏前,通过显示屏和内窥镜仔细观察病人体内的病灶情况,然后通过机器人手中的手术刀将病灶精确切除(或修复)。

这种被国外科学家命名为MIS的系统是设计一切手术机器人的基础。以目前各国医院使用中的达·芬奇手术机器人为例,只要在病人皮肤表面开一个极小的口子,将探头塞进体内,即可观察到病人病灶所在位置,然后再用机器人手中的手术刀将其切除。

此外,手术机器人还可做器官修补、血管吻合或骨磨削等需要十分精细的手术。近年来,手术机器人被用于做包括基因移植、神经手术和远程手术等在内的各种重要手术,从而大大提高了危重病人的存活率。

那么,这么厉害的手术机器人发展情况如何?有哪些研发公司?又有哪些细分领域?国内情况如何?未来将如何发展?

1,全球研发情况

据WinterGreenResearch报告,手术机器人市场规模在2014年为32亿美元,报告表示目前北美市场目前为最大市场,而由于政府医疗投入加大,医疗系统重组和人们对微创手术意识加强,未来市场重心将逐渐往亚洲市场转移。并且,伴随着下一代设备、系统和器械的发布,手术机器人将从目前的大型开放手术,覆盖到身体中的微小部分。预计2021年将达到200亿美元

近20年来,伴随着技术的突破和医疗水平的前进,手术机器人已完成了三次升级,从单臂机器人伊索到三臂机器人宙斯,直至最先进的四臂机器人达芬奇。达芬奇系统由美国IntuitiveSurgical(ISRG)公司开发和制造,1999年获得欧洲CE市场认,次年被FDA正式批准投入使用。此手术系统最初主要用于泌尿外科的微创手术,例如前列腺切除手术,现在被越来越多地应用于心外科,妇科以及小儿外科等外科微创手术。

根据IFR发布的统计数据,2013年全球外科手术辅助机器人总销售额达14.95亿美元,其中达芬奇机器人全球销售额达6.33亿美元,占比42.43%。截至2014年底,全球共装机达芬奇机器人3266台,其中美国2223台,欧洲549台,亚洲350台,我国内地共29台,其中9台在北京。

手术机器人系统开发者除了美国IntuitiveSurgical公司外,还有刚刚进入手术机器人的老牌医疗公司Stryker。Stryker公司是全球骨科356亿美元市场中最大的公司之一,自从HomerStryker医生于1941年研制并生产第一台产品至今,已拥有30家现代化工厂。公司产品涉及关节臵换、创伤、颅面、脊柱、手术设备、神经外科、耳鼻喉、介入性疼痛管理、微创手术、导航手术、智能化手术室及网络通讯、生物科技、医用床、急救推床等。

由于业绩良好,史赛克公司分别被美国著名的《财富》杂志及《BusinessWeek》评为财富500强公司及全美50大医疗公司之一。2014年,公司营业收入96.75亿美元,同比增加7.25%;营业利润22.26亿元,同比增加5.50%。此外,公司研发投入稳步增加,占营业收入比重保持5%-6%。

2013年,Stryker以16.5亿美元收购Mako外科治疗公司及相关核心技术。Mako总部位于佛罗里达州,其主打产品包括Makoplasty全髋关节臵换系统等。MAKOplasty由具有高精确性的RIO机械臂系统和创新性的髋膝关节假体系统组成,二者突破了传统工具的限制,用微创的手术方式,精确植入假体,恢复自然的髋关节和膝关节。MAKOplasty膝关节系统针对早到中期膝关节骨性关节炎患者,可进行单间室或多间室的假体臵换。允许医生术中实时调整膝关节力线和软组织平衡。并通过微创的手术方式保留更多骨质和组织,病人恢复更快。MAKOplasty髋关节臵换手术可以通过机械臂精确限定关节锉进入的深度并指导方向和角度,从而达到手术更加精确和安全的目的。

另外,国际上一些公司已经开始把注意力集中在眼科、神经外科、骨科这些达芬奇系统还未占领的领域,例如CUREXOTechnology的ROBODOC外科手术系统、英国Acrobot公司的外科医疗手术系统等。以上提到的手术机器人由于专攻市场小、设备昂贵等缺陷使他们未能在市场上受到特别关注,但也都是手术机器人商品化的成功案例。

2,手术机器人的研发历史

1994年出现的伊索被设计用来接受手术医生的指示并控制腹腔镜摄像头。其三个阶段的产品伊索-1000,伊索-2000和伊索-3000,充分体现了介入手术的特点。

该机器可以模仿人手臂功能,实现声控设置,取消了对辅助人员手动控制内窥镜的需要,提供比人为控制更精确一致的镜头运动,为医生提供直接、稳定的视野。至2014年,外科医师应用“伊索”已在全球做了超过7.5万例次微创手术。

 

1996年初,在伊索机器人的基础上,开发出了功能强大的视觉系统,推出主从遥控操作的宙斯机器人。

宙斯机器人分为Surgeon-side系统和Patient-side系统,Surgeon-side系统由一对主手和监视器构成,医生可以坐着操控主手手柄,并通过控制台上的显示器观看由内窥镜拍摄的患者体内情况。Patient-side由用于定位的两个机器人手臂和一个控制内窥镜位置的机器人手臂组成。


在伊索机器人、宙斯机器人等前代机型的基础上,2000年美国Intuitive Surgical公司成功开发出da Vinci系统,由3或4个主被动式机械臂,其中一条手臂末端安装有腹腔镜,其余手臂安装外科手术器械。

美国视觉公司开发的达芬奇手术机器人是目前全世界应用最广、技术最先进的手术机器人。截止至2014年底,达芬奇手术机器人在全球已安装了3266台,完成手术共计约57万例。

达芬奇手术机器人也代表着当今手术机器人最高水平,它主要由3个部分组成:1.医生控制系统;2.三维成像视频影像平台;3.机械臂,摄像臂和手术器械组成移动平台。实施手术时主刀医师不与病人直接接触,通过三维视觉系统和动作定标系统操作控制,由机械臂以及手术器械模拟完成医生的技术动作和手术操作。

德国航空航天中心机器人与机电一体化研究所研发的MiroSurge系统是一款集成了视觉反馈与力反馈的新型手术系统。

如下图所示,该系统的手臂设计精巧,在模仿实现人类动作的基础上,手臂的重量保持在10kg,整体结构类似于Da Vinci外科手术系统,同样采用主从控制方式,不同之处在于其采用特殊设计的手术器械,能够为医生提供手术时的力觉反馈,同时在腹腔镜的视野控制上引入了自动导航算法,通过检测手术器械在图像中的位置引导持镜机械臂运动,整体的自动化程度较高。


2012年,美国华盛顿大学和加州大学圣克鲁兹分校研制出一款源于为美国军方研制的战地手术机器人,已发展为Raven系统。

3,国内相关研究

由于目前外科手术机器人生产商的技术和市场垄断,使得手术机器人的购置费用高、手术成本高、维护费用高。这就直接导致我国医院手术机器人的普及率远低于欧美,也不及亚洲日、韩等近邻。

目前,国内研究人员正在加紧研制各种手术机器人及其辅助设备、耗材。从长远看,当前的手术机器人技术和市场的垄断地位可能被打破,手术机器人使用成本的下降是必然趋势。我国自主研发手术机器人领域起步较晚,仍处于试验领域

2002年,天津大学等研究单位开发了RAMS系统,但该系统只能执行夹持微小血管、神经束等较为简单的手术动作。2014年天津大学研制成功“妙手”系统。

2014年04月,中南大学湘雅三医院顺利完成了3例国产机器人手术,这是我国自主研制的手术机器人系统首次运用于临床。该手术机器人就是天津大学研发的具有自主知识产权的微创外科手术机器人系统——“妙手S”。

“妙手S”系统较国外同类产品有三点技术优势,第一是运用了微创手术器械多自由度丝传动解耦设计技术,解决了运动耦合问题,固定、防滑、防松,更有利于精度保持。第二是实现了从操作手的可重构布局原理与实现技术,使机器人的“胳膊”更轻,更适应手术的需要。第三是运用系统异体同构控制模型构建技术,解决了立体视觉环境下手-眼-器械运动的一致性。据了解,“妙手S”外科手术机器人系统将有望3年内投产。


2006年7月,哈工大机器人研究所开发内窥镜手术机器人,并在此基础上进一步开发了“微创腹腔外科手术机器人系统”。

2013年11月,国家“863”计划资助项目——“微创腹腔外科手术机器人系统”,由哈尔滨工业大学机器人研究所研制成功,并通过国家“863”计划专家组的验收。我本人有幸参与了这款机器人系统的研发,而且工大对这款机器人还在继续升级,并希望走产业化的道路。

据哈工大机器人研究所的研发人员介绍,国产微创腹腔外科手术机器人系统具有我国自主知识产权,研究人员针对微创外科手术的多种术式,在手术机器人系统的机械设计、主从控制算法、三维(3D)腹腔镜与系统集成等关键技术上都进行了重要突破,并申请了多项国家发明专利。这个项目的突破被看做是打破了进口达芬奇手术机器人的技术垄断,将加快实现国产微创手术机器人辅助外科手术


2014年国内医疗器械市场总规模将近2556亿元,但进口医疗器械的进口金额占据中体市场份额40%,其中中高端市场上的医疗器械几乎被外国厂商包揽,占比超过70%。目前,国产手术机器人还大多处于研发或临床试验阶段,距离商业化推广还有一定的距离。

从全球来看,手术机器人产业化和技术突破都正处于甜点期,如达芬奇、Rewalk等优秀科技企业涌现,而部分国内自动化企业依托于科研院所的合作、引进国外技术等资源,也在积极研发医疗机器人产品,处于产业化前期阶段。业内人士认为,手术机器人虽然绝对空间更大,但外资份额过高并且处于绝对垄断地位,竞争格局短期不利于国内企业。但是,基于广阔的市场前景和高技术壁垒,建议以科技股的视角看待手术机器人相关国产化企业,重点关注积极研发和投资相关领域、打造医用机器人平台的公司。

 二,我们团队部分工作

这部分简要介绍一下我们团队做过的一些工作,也欢迎各方面的合作。下图是目前我们建立的手术机器人的样机,围绕这一手术机器人背景,研究其中的一些关键技术。

 

1,机器人学相关技术

涉及该机器人的运动学、动力学、Ansys仿真、ADAMS仿真、Simmechanics仿真、模态分析、主从控制、机构优化设计、术前摆位等。

 2,手术机器人主从控制中的力检测

从手的末端是一个很小的开合执行器,并能够进行俯仰、偏摆、旋转等运动,设计特殊的指尖结构,贴上应变片,同时检测绳张力,并进行标定,尝试实现从手末端的三维力检测。


 3,手术机器人主从控制中的力感知

操作者握住主手端,通过算法,结合对电机电流的控制,可以使操作者感受到任意希望的三维力。 将力检测与力感相结合,能实现将手术器械触碰的力传递给操作者,从而提高手术过程的临场感和沉浸感。

4,软组织生物力学特性

通过实验,获取软组织受力与变形的关系,得到相关参数,建立生物力学模型。

5,虚拟手术

结合软组织力学特性,建立手术虚拟系统,实现虚拟力反馈,虚拟系统将有助于进行手术培训等工作。

6,腹腔镜视觉跟踪与导航等

应用机器视觉,获取标记物位置信息,结合相应算法,驱动机器人持镜臂,控制腹腔镜运动,从而实现视觉跟踪和自主导航。

7,所在大团队做的一些工作

我所在的大实验室还做一些医疗康复方面的研究工作。

助行康复机器人


 自动助餐机器人


宇航员训练机器人

上肢康复机器人

三,以历史看未来

从第一台手术机器人诞生到现在,自动化手术已经走过了近30个年头。当1985年第一台手术机器人Puma560生产出来的时候,生产该机器人的公司出于安全考虑,曾经禁止该机器人被用于手术。但现在,最先进的手术机器人系统每年执行着上万例各种手术。不禁让人感叹医疗技术发展如此之快。现在,我们仍然很好奇,机器人手术的未来将会是怎样的情景呢?

现在,全球各地的医生们正期盼着远程医疗和远程手术的发展,那样的话,一个医生就可以在另一个城市、另一个州或者另一个大陆为患者做手术。这意味着我们可以在世界的不同地方建立一些手术中心,医生可以去一个手术中心,坐在控制台上,而患者则在另一个手术中心,他只需要操控机器人,便可以为患者动手术了。

实际上,2001年的时候,纽约和法国的斯特拉斯堡就通过机器人完成了一次远程手术。这台具有开创性特质的手术被成为“林德伯格手术”。虽然手术成功完成,但是影像的传输和手术操作却出现了延迟的现象,这使得远程手术难以实现。然而,随着网速的增长和带宽变得更便宜,延迟的现象毫无疑问会得到改善。

在未来我们会拥有远程医疗的条件,医生可以为世界上其他地方的患者动手术。并且,远程医疗的发展同样意味着医生之间更高层面的竞争。这会提高外科医生的准入门槛,让他们在自己的领域变的最为出色。

另外一种可能是,在未来我们可以只通过单一的创口为患者进行手术,或许可以通过肚脐,插入一支蛇形的机械臂。而现在,为了能够方便机械臂进入身体,患者的身体上会留下几处较小的创口。

这项技术的继续发展将意味着,医生只需要在患者身体上开一个小洞,然后在插入一支蛇形机械臂就行了,那才是真正的颠覆性技术,这可能会永远改变手术的性质,这些真的很酷,不是吗?

(文中部分资料参考自网络,由e科编辑整理)


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文章评论(2)
柏岩[北京航空航天大学]

达芬奇手术机器人已经用到实际手术中了

690天前 | 回复
梅西[北京工业大学]

国内的步伐还是慢,好像大医院都在用国外的手术机器人。比如达芬奇机器人

698天前 | 回复
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作者 令狐小冲

博士生

清华大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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