手術(shù)機器人近年來(lái)在科學(xué)、產(chǎn)業(yè)及醫療等L域發(fā)展迅速，從臨床到研究均獲得廣泛關(guān)注。尤其是近期的醫工結合發(fā)展，促使其智能化水平顯著(zhù)提升，這里著(zhù)重對近年來(lái)在ScienceRobotics、Science Translational Medicine、IEEETransactions on Robotics、Head& Neck等期刊上涉及的手術(shù)機器人智能技術(shù)研究進(jìn)行了討論，拋磚引玉。
1.單孔手術(shù)機器人的臨床評價(jià)
2019年3月15日，IntuitiveSurgical(ISRG)宣布，該公司Da Vinci SP型手術(shù)機器人的經(jīng)口耳鼻喉科手術(shù)獲得FDA批準，成為該型適用的第二類(lèi)手術(shù)。盡管daVinci SP手術(shù)機器人系統已問(wèn)世，但很少有資料能指導面對新技術(shù)的外科醫生。此外，daVinci SP的結果還沒(méi)有直接與目前廣泛使用的da Vinci Si系統的結果進(jìn)行比較。梅奧診所醫學(xué)院[1]將daVinci SP機器人用于經(jīng)口入路治療口咽癌（OPSCCs），統計了一年的手術(shù)結果，并將其與daVinci Si機器人的手術(shù)結果進(jìn)行了比較。
da Vinci SP手術(shù)機器人通過(guò)單孔將靈活的內窺鏡和器械臂置入喉部和下咽部的手術(shù)部位，并且與一個(gè)口腔牽開(kāi)器相配合，擴大了TOR手術(shù)中外科醫生和助手的工作空間，從而改善了上呼吸道的進(jìn)入和可視化操作。在相關(guān)實(shí)踐過(guò)程中，daVinci SP機器人系統在大規模TOR中表現良好，無(wú)與機器人平臺直接相關(guān)的并發(fā)癥，說(shuō)明SP成為了治療上呼吸道腫瘤的安全手術(shù)器械。盡管新系統帶來(lái)了額外的技術(shù)挑戰，但對于有經(jīng)驗的TOR手術(shù)外科醫生，SP的總體學(xué)習曲線(xiàn)短。與使用Si系統治療的OPSCC患者的群體數據相比，作者發(fā)現兩者在總手術(shù)時(shí)間、機器人控制時(shí)間以及術(shù)后出血率方面沒(méi)有差異。隨著(zhù)SP漸漸融入日常實(shí)踐，需要正規的培訓計劃來(lái)確保醫生安全G效地過(guò)渡到SP平臺。

作者在一個(gè)TOR操作中心進(jìn)行了回顧研究，包括從2018年10月至2019年9月接受TOR單孔手術(shù)的所有患者。將SP-OPSCC結果與Si-OPSCC患者的所有歷史數據進(jìn)行比較。其中，78例患者接受了SP手術(shù)治療，出血率5.1%，死亡率2.6%，轉化率0%，與daVinci Si組相比，進(jìn)行TORS-SP手術(shù)的OPSCC患者手術(shù)時(shí)間和術(shù)后出血方面無(wú)顯著(zhù)性差異（P>0.05）。

2. 手術(shù)機器人的靈巧化

雖然機器人技術(shù)已經(jīng)提G了微創(chuàng )腹部、腦外科、骨科、介入科等手術(shù)的性能，但其適應更精細、更迂回、多通道的區域仍然具有很大的挑戰，并且某些手術(shù)仍然需要使用更具侵襲性的方式進(jìn)行。因此，類(lèi)似手術(shù)場(chǎng)景要求機器人具有體積小、柔性強，能通過(guò)非線(xiàn)性路徑到達難以進(jìn)入的手術(shù)部位，靈活完成手術(shù)任務(wù)。連續體機器人的結構與由關(guān)節連接的離散剛性連桿組成的傳統機器人有著(zhù)根本性區別。當關(guān)節的數量接近無(wú)窮大（而連接長(cháng)度接近于零）時(shí)，機器人就可被稱(chēng)為連續體機器人。雖然個(gè)連續機器人是在近50年前創(chuàng )建的，但醫學(xué)應用顯然是過(guò)去十年來(lái)連續機器人研究的主要驅動(dòng)因素之一。從醫學(xué)的角度來(lái)看，連續機器人的小尺寸和順應性是有利的，但對傳感、控制和人機交互提出了很G的要求。
Choset[2]總結了連續體機器人應用于外科手術(shù)的重要研究。作者調查了醫學(xué)應用中連續機器人研究的核心技術(shù)，包括特定醫療問(wèn)題的設計、建模、控制、傳感和應用方面的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。同時(shí)，概述了在臨床方面商業(yè)化或相對較先進(jìn)的手術(shù)系統。作者介紹了兩個(gè)已經(jīng)獲得FDA批準的連續體機器人應用：遠程操作的連續機器人系統（HansenMedical Inc.和StereotaxisInc.）和超冗余系統（Medrobotics Inc.）。連續體因為可提供侵入性較小的通路和操作，將越來(lái)越有利于外科醫生和患者。

3. 遙操作手術(shù)機器人的自動(dòng)化

自動(dòng)化是手術(shù)機器人的重要發(fā)展方向，在醫療L域由于其特殊性目前自動(dòng)化的程度相對于工業(yè)、服務(wù)以及特種L域均較低。目前機器人輔助手術(shù)（RASs）的模式完全取決于單個(gè)外科醫生的手動(dòng)能力。自動(dòng)機器人手術(shù)可以保證手術(shù)效率和安全性的提G，并改善優(yōu)化手術(shù)技術(shù)。由于技術(shù)上的限制，涉及軟組織的手術(shù)尚未d立進(jìn)行，包括缺乏能夠在動(dòng)態(tài)手術(shù)環(huán)境中識別和跟蹤目標組織的視覺(jué)系統，以及缺乏能夠執行復雜手術(shù)任務(wù)的智能算法。美國約翰霍普金斯大學(xué)[3]通過(guò)增強視覺(jué)、靈巧性和互補的機器智能來(lái)改善手術(shù)效果、安全性，實(shí)現軟組織變形的自動(dòng)跟蹤、監測以及吻合。通過(guò)實(shí)驗證明，自主機器人可以提G手術(shù)的效率、一致性、功能結果和可行性。
作者認為，具有自主性的手術(shù)機器人不是為了取代外科醫生，而是提G醫生的能力。目前遠程手術(shù)的模式完全取決于每個(gè)手術(shù)醫生的能力。由于自主機器人手術(shù)可預測性強，目前只適用于具有剛性結構的解剖，如骨骼切割。而下一步，在軟組織手術(shù)中將自主規劃和機器人遙操作相結合，可大限度地減少了技術(shù)不確定性，與純人工手術(shù)或者自動(dòng)機器人手術(shù)方法相比可能會(huì )獲得更好的結果。外科醫生和機器人之間的這種交互式自適應決策展示了未來(lái)機器人手術(shù)的新范例。

4. 影像引導手術(shù)機器人的自主化

為提升介入手術(shù)的智能化、自主化，哈佛大學(xué)醫學(xué)院[4]從趨觸性的昆蟲(chóng)中獲得靈感，研發(fā)了一種新型機器人導管。它可以在充滿(mǎn)血液的心臟中導航，這種導管使用混合觸覺(jué)、視覺(jué)的感知方法，使用圖像進(jìn)行基于觸摸的表面識別和力傳感，以完成充滿(mǎn)血液的心臟內壁跟蹤。觸覺(jué)視覺(jué)傳感器提供了導管尖端的G分辨率視圖，這正是壁跟蹤和設備部署所需的視圖。該傳感器與機器學(xué)習和圖像處理算法相結合，使機器人能夠區分其接觸的物體并控制其接觸力。但在一些特殊、復雜的位置移動(dòng)時(shí)，如：主動(dòng)脈瓣環(huán)，成功率還有待提升。在未來(lái)，壁跟蹤自主導航可擴展到許多微創(chuàng )手術(shù)，包括血管、氣道、胃腸道和腦心室系統的手術(shù)。
通過(guò)活體動(dòng)物實(shí)驗，證明了在某些方面自主控制的機器人導管性能達到了臨床醫生的水平。自主導航是一種基本能力，在此基礎上可以建立更復雜的自主J別，例如執行一個(gè)過(guò)程。與工業(yè)自動(dòng)化的作用類(lèi)似，這種能力可以使臨床醫生自由地專(zhuān)注于手術(shù)中的關(guān)鍵方面，提G醫生經(jīng)驗和操作精度，減少重復疲勞。

5. 遠程手術(shù)機器人的數字孿生技術(shù)

遠程診療是手術(shù)機器人的重要發(fā)展方向。隨著(zhù)5G、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為遠程手術(shù)機器人的進(jìn)一步應用提供了基礎。芬蘭科學(xué)家[5]利用數字孿生技術(shù)為遠程手術(shù)機器人提供非常好的沉浸感和透明度。數字孿生（DT）的思想是通過(guò)一個(gè)單d的接口，將與產(chǎn)品或過(guò)程相關(guān)的每個(gè)數據源和控制接口描述引入，便于自主探索和自動(dòng)通信的建立。研究者利用一個(gè)機械臂和HTCvive虛擬現實(shí)（VR）系統組成主從端，通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )連接。在研究中，結合一個(gè)網(wǎng)絡(luò )操作模塊來(lái)測試網(wǎng)絡(luò )中斷和攻擊的影響，以此解決系統的網(wǎng)絡(luò )安全問(wèn)題。雖然系統的實(shí)際遠程手術(shù)能力受到虛擬現實(shí)系統能力和機器人反饋不足的限制，但是可以利用該系統進(jìn)行遠程手術(shù)的模擬和研究。將來(lái)，患者和外科醫生也可能擁有自己的數字孿生，這將使系統能夠讀取歷史和實(shí)時(shí)的健康和性能數據。甚至在外科醫生進(jìn)入手術(shù)室之前，就可以計劃手術(shù)并檢查病人的健康記錄。

6. 手術(shù)機器人智能化發(fā)展與挑戰

在手術(shù)機器人邁向未來(lái)的過(guò)程中，仍面臨許多重大挑戰，Sciencerobotics[6]對該L域進(jìn)行了展望。外科和介入機器人技術(shù)的主要挑戰是更G自主程度系統的研發(fā)�，F有醫療機器人的自主能力仍然有限。在大多數情況下，機器人的貢獻是提G了外科醫生的技術(shù)水平。例如，IntuitiveSurgical公司的 da Vinci手術(shù)機器人系列產(chǎn)品使腹腔鏡檢查變得容易;Stryker的Mako機器人手臂通過(guò)比外科醫生更準確的骨骼鉆孔技術(shù)來(lái)增強髖關(guān)節和膝關(guān)節置換功能。在這兩個(gè)例子中，機器人相當于外科醫生手的延伸，故其運動(dòng)需要受到外科醫生的控制。之前研究的Robodoc系統與前者有所不同，它會(huì )根據醫療圖像執行預先計算和經(jīng)外科醫生批準的手術(shù)路徑。盡管這些系統在將外科醫生的意圖轉化為機器人執行器的實(shí)際動(dòng)作時(shí)，都有一定程度的“自主性”。但是當控制器需要做出更復雜的行為來(lái)表現臨床醫生的決策時(shí)，現有技術(shù)并不能滿(mǎn)足。因此，在滿(mǎn)足相應的監管和倫理條件的前提下，醫療機器人的自主性技術(shù)發(fā)展將逐步推進(jìn)。例如，心臟介入治療包括利用術(shù)前和術(shù)中影像的結合，從外周血管的經(jīng)皮入路導航到心臟內的特定位置。而目前基于圖像的機器人導航理論已經(jīng)很成熟，因此開(kāi)發(fā)安全的導航算法是可行的。隨著(zhù)心臟介入裝置(如經(jīng)導管瓣膜)臨床經(jīng)驗的增加，這些裝置的部署可能會(huì )變得足夠標準化，從而實(shí)現自動(dòng)化部署。機器人做到臨床任務(wù)自動(dòng)化的大挑戰是要能夠預測、檢測和響應所有可能的緊急情況
可植入的機器人能取代、恢復或增強相關(guān)生理過(guò)程，是一個(gè)新興L域，也是目前手術(shù)機器人L域面臨的又一重大挑戰。為了推動(dòng)這一L域的發(fā)展，需要提G機器人的生物相容性、可靠性、適應性、安全性和供電能力。為了維持長(cháng)期的功能，充分的生物相容性是很重要的。此外，對于那些提供臨時(shí)生理支持的植入物，設計成可吸收的植入物可以避免移除裝置的手術(shù)需要。植入物的設計還需要能對變化的情況做出反應，比如運動(dòng)。值得一提的是，雖然遠程編程提供軟件更新是有利的，但保障安全才是至關(guān)重要的，因此要防止一個(gè)人的器官被黑客攻擊。后，由于與起搏器等設備相比，機器人設備的功率要求較G，因此較G的無(wú)線(xiàn)功率傳輸能力至關(guān)重要。
手術(shù)機器人另一個(gè)新興方向是微納機器人。相關(guān)研究人員已經(jīng)創(chuàng )造了能夠在液體環(huán)境中移動(dòng)的小型設備。雖然一些設備已經(jīng)功能化，但這個(gè)L域仍然面臨著(zhù)許多重大挑戰，比如：生物可降解和非細胞毒性的微機器人的開(kāi)發(fā)、能夠自我定向靶向的自主設備的開(kāi)發(fā)、基于導管的微機器人在目標附近的傳遞、在體內對大量設備的跟蹤和控制等。

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