手术机器人赋予医生“超能力”

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在两三厘米见方的人体空间内,机械臂可以如绣花般精细操作。如今,手术机器人正在让很多原本无法想象的手术场景变为现实。其中,达芬奇外科手术机器人系统(以下简称“达芬奇手术机器人”)更是代表了该领域的尖端水平。

自2006年国内引进首台达芬奇手术机器人以来,国内已累计开展了4万多例机器人手术,涵盖了泌尿外科、肝胆胰外科、胃肠外科、妇产科等多种手术。2月26日,国内首家达芬奇手术机器人基础培训基地在上海启用,为国内外医生提供国际化的培训服务。未来,达芬奇手术机器人的应用将更为广阔。

手术机器人究竟有何神奇之处?达芬奇手术机器人为何能多年来独占鳌头呢?

更明亮的“眼睛”和更灵活的“手”

早在去年,一段视频就曾火遍网络。视频显示在一个小小的玻璃瓶内,一颗葡萄在接受机器人做的皮肤缝合“手术”,这台机器人就是达芬奇手术机器人。葡萄皮的长度不到2.5厘米,厚度不到1毫米,并且非常脆弱。在达芬奇手术机器人缝完最后一针后,这颗葡萄基本上保持完美状态。整个手术过程快速而精准,让不少人对达芬奇手术机器人拍手称奇。但其实,对于医疗界来说,它已经不算新鲜事物。

以达芬奇系统为代表的手术机器人,是医用机器人中的一种。

“医用机器人是个很大的概念,根据国际标准术语,只要是在潜在能力上能用于医疗领域的机器人或者机器人化装备,都可以叫作医用机器人。”哈尔滨工业大学机器人研究所副所长杜志江介绍说,医用机器人可以分为手术机器人、康复机器人、医用服务机器人(即把服务机器人用于医疗领域)和机器人化的医疗装备。

在杜志江看来,医用机器人的作用不仅要能辅助医生工作,扩展医生的能力,不断提高智能水平,同时要具有安全、有效的医用性,否则就不可能走向临床,同时要有灵活、柔性的临床适用性和良好的交互性,以达到医生、患者、机器之间和谐共存的状态。

不可否认,手术机器人的出现是得益于外科领域对微创手术追求的大背景。“与传统的开放式手术相比,腹腔镜手术具有诸多优点,现在也已经普遍开展了。但腹腔镜手术器械操作对医生技能要求非常高。同时,医生长时间做手术会导致疲劳、手部颤抖,影响手术精度和质量。腹腔镜手术器械的自由度也仍受限。于是,为了进一步提升微创手术的水平,手术机器人就应运而生了。”杜志江介绍说,手术机器人有几大优势,一是具有多自由度的手术器械,使得手术更加灵巧;二是能提供给医生放大的三维影像,让手术做得更加精细;三是改变了此前手术的模式,原来是医生站在患者旁边手术,现在是坐在控制台前手术,缓解了医生的疲劳度;四是可以实现远程手术,我们可以把机器人放在偏远地区,由医生远程操控,使更多患者享受到高端器械的福利。

为何独占鳌头

全世界对手术机器人的探索在20世纪80年代就开始了。1985年,美国研究者就尝试用工业机器人辅助进行脑组织活检,这也是手术机器人的雏形。此后的上世纪80年代末90年代初,诞生了专门用于手术的外科机器,较有代表性的是RoboDoc外科手术机器人。1994年,美国Computer Motion公司研制的伊索(Aesop)持镜机器人,实现了比人更精确、一致的镜头运动,迈出了机器人微创手术系统研发的关键一步,但它还不能独自执行指令进行手术操作,只是一只“扶镜”的电子机械手。1996年,Computer Motion又研发出宙斯(Zeus)机器人外科手术系统,尝试用于微创手术。

1999年,美国Intuitive Surgical公司发布了达芬奇外科手术机器人,从此为手术机器人研发和应用打开了一个新局面。达芬奇手术机器人由外科医生控制台、床旁机械臂系统和成像系统三部分组成。与人手相比,它的仿真手腕器械有7个自由度,更加灵活、精确,还可以自动滤除震颤,比人手更稳定。此外,它的成像技术更加逼真,裸眼3D立体高清图像可以将图像放大10倍。自发布后,达芬奇手术机器人便一发不可收拾,迅速应用到世界各地,几乎垄断了全球的手术机器人市场,并一直延续至今。

2000年,达芬奇手术机器人被美国药监局正式批准投入使用认证,成为全球首套可以在腹腔手术中使用的手术机器人。301医院在2006年底引进了中国大陆第一台达芬奇手术机器人,并在2007年完成了第一例手术。2014年,达芬奇手术机器人更新了第四代系统。

在杜志江看来,达芬奇手术机器人之所以能够独占鳌头,其对工程技术与医疗需求紧密结合的重视功不可没。“我去Intuitive Surgical公司参观时就看到,公司的工程技术人员每天的重要工作之一就是与医生充分交流,使机器人最大程度满足医生的需要。”杜志江总结说,“达芬奇手术机器人有多条机械臂,用多臂协调的方式完成手术;它对人体切口位置的要求放宽了,在手术过程中,机械臂要从人身体的切口进入,如果切口要求太过严格,有些术式就不好操作了;此外,达芬奇手术机器人便于快捷摆位,减少了手术的准备时间。特别是当手术过程中发生意外要从微创手术转为开放式手术时,就需要把手术机器人的器械在非常短的时间内撤除;达芬奇手术机器人的接口统一,减少了手术更换器械的时间;另外,它还可以按术式主动预设,不断提高机器人的智能水平。这些年来,达芬奇手术机器人的研发一直在沿着这些方向往前走。”

医工结合是重点

上世纪90年代,国内开始涉猎手术机器人的研究。典型的系统如北京航空航天大学和海军总医院联合研制的脑外科手术机器人、北京航空航天大学研制的骨科手术机器人,都获得了国家食品药品监督管理总局的认证。

此外,哈尔滨工业大学在腹腔镜、骨科、介入手术等领域开展了研究,中国科学院自动化研究所等在血管介入、骨科等领域开展研究,天津大学在腹腔镜、显微外科等领域开展研究,北京理工大学在软组织穿刺、颅颌面外科等领域开展研究,复旦大学、浙江大学等也都在医用机器人方面开展了研究,并取得了成果。

杜志江认为,要做好手术机器人的研发,首先必须要注重医工结合。“医生要把手术操作流程、对手术机器人的使用需求和医疗应用禁忌讲清楚,可以海阔天空地提出一些主观性的内容。工程技术人员则需要倾听、理解,确定设计输入,规划实现方式,然后用工学语言表达出来,拿出样机后再跟医生进行反复交流。医生与工程技术人员一定要互动,这种互动可能是长期的。”

在杜志江看来,当前医用机器人发展拥有良好的前景。当下,医用机器人的全球市场正在持续高速增长,国内也陆续出台了多个战略规划和支持政策促进机器人产业的健康和快速发展,包括《中国制造2025》《机器人产业发展规划(2016—2020年)》等,其中医用机器人是重要的一部分。“作为机器人的一种,手术机器人在机构、传感、控制、交互、互联网等技术方面都有着无限的创新空间。”杜志江表示。

与此同时,手术机器人发展也面临着来自技术、人才、资本、市场、政策等方面的挑战。“手术机器人是高度技术密集型机器人系统,技术门槛高,需要机器人、医疗器械、医学等各方面的人才,尤其是跨界的复合型人才。手术机器人的研发周期也较长,一般要6~10年,投资大,风险大,需要持续性投入。”杜志江说,“要想在手术机器人研发领域取得突出进展,就要建立‘政—产—学—研—医’结合的长效机制,形成政府引导、资本支持、企业努力、研发团队争气、医生敢想敢试的局面,打通研发、注册、生产、销售的链条。这还需要多方共同努力。”

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责任编辑: 闫月

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