医用机器人与计算机导航系统的历史沿革

         根据医用机器人与计算机导航系统的发展特点，小节从计算机辅助手术、机器人辅助手术和遥操作手术三个方而分别介绍其历史汁革。首先，根据图像模式的不同，介绍了计算机辅助手术在CT/MRI导航、透视导航、无图像导航以及其他一些导航手术中的研发进展。然后，按照医用机器人的历史进程，详细阐述基于工业机器人平台的外科机器人、专用外科机器人以及小型模块化机器人三个发展阶段。后，根据临 床应用特点，简单归纳了遥操作手术在本地遥外科和远程遥外科中的应用。

         一、计算机辅助手术
         计算机辅助外科是一种利用计算机高速信息处理能力，综合先进的成像设备（主 要包括CT、MRI、PET、SPECT、X线、透视、超声等）和空间定位方法，通过虚拟手 术环境为外科医生提供导航技术支持，使手术过程更安令、更精确，使手术效果更好、 康复过程更快的新兴技术。计葬机辅助手术的基本原理非常粪似于CPS卫星全球定位系统(见图7-2)，即：利用外部跟踪设备，实时测量手术器械相对于操作对象的位 置，然后将位置信息硅示在医学图像地图上，使得外科医生能够清楚地看到手术器械 的当前位置，便于判断和决策手术操作。日前，典型的外科定位方法主要包括光电、 超声、电磁、激光、机械／机器人等。

         计算机辅助手术作为一种多学科交叉的新兴前沿技术，能够利用多模图像数据建 立二维或者三维仿真环境，辅助医生进行手术评估、规划、仿真和监控等过程，使外科手术更精确、安全和微刨，从而提高手术质量，减轻患者痛苦，降低医疗成本。其临床优势主要体现在精度高、效果好、技术先进、应用广泛四个方面。 早期计算机辅助手术的发展在很大程度t受成像技术发展的约束。20世纪80年代末期出现的图像引导手术的概念直接体现了这一发展进程。借助医学图像处理和可视 化技术，图像引导手术为外科医生提供了友好的交互规划接口，从而大大扩展了医生的手术视野，提高了医生对手术的判断能力。同期，微创外科的概念也被引入临床并莸得广泛认可。随后，以微创外科为目标，传感器技术、定位技术等逐步进入外科应 用。
         这些技术的相互融合，直接促进了计算机辅助外科概念的产生。 计算机辅助手术导航方法的分类有很多种。按照手术定位方法，可分为光电导航、 电磁导航、机构导航等；按照手术自动化程度，可分为被动系统、主动系统等；此外，还可以按照手术适应证、患者年龄等进行分类。由于图像概念在手术导航的发展进程 中扮演着至关重要的作用。因此，这里以闰像为参考对象，根据手术所用成像方法的不同，主要介绍Cr／MRI导航、透视导航、无图像导航等几种典型技术的发展历程。

         （一）CT/MRI导航
         CT/MRI导航是发展早，也是技术成熟的一类手术导航方法。该方法的典型过程是在手术之前获得患者的图像扫描数据，在术中建立患者实际解剖结构与术前CT图 像之间的联系，为医生规划和操作提供丰富的二维或者三维导航环境。早在1985年，美国Thomas Jefferson大学医院利用CT数据重建出了三维髋臼骨折情况，实现了放射学 珍断的标志性突破。1987年，日本Fujita Health大学开始将CT图像与定位系统（装有码盘的机械手）相关联来引导手术定位。
         随后，瑞士Cantonal匮院在1986年、美国 Mayo医疗中心在1987年和1988年、法国Grenoble大学医院在1987和l995年、德国 Aachen工业大学在1990年、芬兰Oulu大学在1991年、美国Vanderbilt大学在1991年和1995年、美国ISC公司在1994年、瑞士联邦理工学院在1995年、飞利浦医疗公司在 1996年等等，叉分别提…了几种基于CIYMRI/DSA的计算机辅助于术系统，并在脑外 科手术中获得了应用，随后，在目科领域，美国Carnegie Mellon大学在1995年研制了HipNav导航系统，采用CT图像进行术前三维规划，引导全髋置换手术；2004年义研 制了KneeNav导航系统，同样采用CT图像进行引导，辅助医生完成关节置换和前交叉 劬带重建手术。
         在国内，1997年，海军总医院与北京航空航天大学合作开发了计算机 辅助神经外科规划系统CAPN，并成功应用于临床。2005年，上海交通大学开发了计 算机辅助止颌外科手术规划与术中导航系统等。 目前，CT/MRI导航已经在临床卜获得了广泛应用，但是，随着现代外科对手术质世的要求越米越商，这种导航方法所固有的术前图像与术中解剖对象之间的配准误差 已经成了不可忽视的问题，因此，部分学者开始研究将CT或者MRI设备引入手术室，利厢术中宴时的断层图像进行手术导航。但这种方法所需设备庞大复杂，很难布置在常规手术室中；同时，技术上尚未完全成熟，还没有达到应用普及的程度。随着CT/MRI成像设备不断小型化、专业化的发展，这种方法有望在不久的将来进入临床。

         （二）透视导航
         透视技术主要用于骨骼等高密度组织的显影，因此，透视导航首先在骨科领域获得了应用。透视导航的主要特点是透视图像和手术操作的紧密关联性（耦合性），即手 术器械能够实时、虚拟地显示在术中透视图像上，为医生提供良好的视觉效果。目前，透视导航的设备主要是C臂X线机。根据导航用图像的维度不同，透视导航主要包括二维和三维两种透视导航方法。二维透视导航出现早，它是借助跟踪相机来检测手术环境对象（包括C臂、手术器械、患者）的宅问姿态，并建立相互之间的映射关系。 同时，在C臂上安装有相机标定模型（一般是双层结构的标定靶），来完成姿态跟踪、 失真校正、相机标定等。目前，典型的商业化透视导航系统主要有美国Scryker公司的 Stryker系统、德国BrainLab公司的VectorVision系统、美国Medtronic公司的StealthStation系统等。此外，还有一些机构升发了原型系统，但都投有产业化的报道。
         国内方而，上海交通大学、北京航空航天大学开展了透视导航下关节类手术系统的研究，而深圳 安科高技术股份有限公司推出的光电引导下的透视导航系统已经在创伤、脊柱等领域获得了一定应用。 在二维透视导航方法中，需要一提的是在2000年，美国Johns Hopkins大学的学者 参考视觉伺服的定义提出了“透视伺服”(fluoroscopy servoing)的概念，并在腹腔等软组织手术中进行了初步实验。
         应该说，透视伺服方法为医生提供了真实的实时手术 图像，能够获得蛙直接的伺服控制效果。但是，透视图像缺乏对软组织的有效分辨能力，而且存在大城噪声，图像分割和识别存在一定困难，伺服效果并不理想；同时，长时间连续c惜透视的高辐射性极易伤害患者的细胞组织，因此，不宜用于人体重要组织（如心脏等）的导航治疗，目前的研究也仅限于腹部肿瘤组织。 在这些二维透视导航方法中，配准过程是必不可少的一个步骤。不同导航方法的配准精度及其稳定性也不尽相同，因此，图像配准技术研究是提高二维透视导航方法有效性的主要内容。 2000年，德国西门子公司推出r l有术巾三维透视成像功能的等巾心C臂SIRE． MOBIL Iso - C3D，为术中个体化的三维诊断和规划提供J-种全新途径，直接促进r三维透视导航方法的出现。三维透视导航能够监测手术环境中各对象的空间姿态及相 互关系，从而自动建立三维透视图像数据集与其他手术对象信息数据之问的配准关系。 三维透视导航的优势可概括为三点：一是町术中实时三维成像；二是完全自动配准，精度高；三是不必安裴人体标记，实现微创手术。目前，国内外许多机构先后提出了多种基于Iso - C3D的三维透视导航方法，在脊杜损伤、关节内骨折、骨箍骨折等手术中开展了初步应用。
         为了进一步提高成像设备的临床性能，2004年，西门子公司在优 化Iso - C3D的基础上，推出了 Arcadis Orbic3D，在系统功能、影像质量与成像速度上 都有显著改善；并且，Orbic3D与直接三维导航接口软件Navili[x]nk3D结合，进一步提高 丁导航精度，优化了操作流程。 但是，与常规C臂的结构不同，Iso - C3D和Orbic3D的旋转C臂均采用了等中心（同心）结构，即C臂的轨道旋转轴线与“球管增强器”的成像旋转轴线共轴，这在 一定程度上减少了医生的操作空问。2004年，德国Ziehm影像公司推出了一种新型的透视三维成像设备Ziehm Vario 3D。该设备在不减小传统C臂的有效操作空问的前提 下，设计了合理的传动机构，可以保证C臂在旋转过程中成像中心和旋转中心始终保 持一致。与Iso - C3D、Orbic3D相比，Vario 3D在结构上更简单，体积更小，但在成像 时需要手动采集各个投影角度上的透视投影数据，成像速度比1so - C3D慢得多。可以 说这两类设备各有特点，Iso - C3D、Orbic3D适合于大型现代化手术室应用，而Vario3D更适合于常规手术室使用。 可以预见，CAS的不断发展也必将促进透视导航技术的不断变革，二维透视导航将进一步扩大其临床应用，三维透视导航将会受到越来越多的重视。

         （三）无图像导航
         无图像导航是近儿年出现的一种导航技术，其关键技术是术中实时重建患者的几 何模型。这种导航方式早卅现在关节置换手术中。早期的关节置换导航手木使用术 前CT图像进行手术规划和过程仿真，但由于手术过程中关节不可避免地发生运动，影 响了手术精度，因此，在20世纪90年代，人们开始尝试借助光电导航设备，术中采集关节骨雠表面的几何形状，利用这些实时采集的骨面数据而小是l割像数据来进行手术导航，即无图像导航。 早期的无图像导航系统是直接利用术中重建的骨骼表面进行手术规划，如法国大 学TIMC研究所的Lavallee在1995年研制的计算机辅助前交叉韧带重建系统。
         但是，人 体解剖结构复杂，术中只能重建出一些局部的骨骼表面片，无法从完整骨骼的角度， 为医生提供直观、有效的视觉效果，从而造成手术规划困难。1998年，该研究所的 Fleute等人在Lavallee工作的基础上，分析总结了该所在可变形统计学建模领域的多年研究成果，提出了三维骨建模技术一骨骼变形(Bone morphing)，并由法国Praxim Medi-
vision公司获得了专利。该技术首先被用在了计算机辅助前交叉韧带重建系统中，随后 扩展到关节置换等其他骨科适应证，代替了一些以CT等影像为基础的CAS系统。
         目前，此项技术已经逐步应用到全髋关节置换、膝关节单髁置换和胫骨截骨等CAS手 术。Broinlak公司也在其商业化VectorVision系统中集成了此项功能。借助骨骼变形技术，外科手术可以不再使用术前CT等影像，减少了手术费用；而且操作过程中不用C臂X线机，避免了X线辐射的困扰。可以认为，无图像导航技术是未来CAS技术发展 的一个重要方向。 除上述三种影像导航方法外，超声导航、激光导航等也开始进入外科导航领域，并显示出了一定的应用前景。当前，CAS的研究和应用主要集中在神经外科、骨科、 耳鼻喉科、牙科、腹腔科以及颅颌面外科等领域，有效提高丁手术目标的定位精度，增强了手术操作的视觉效果，缩短了手术操作时间，减小了手术损伤，从丽提高了手 术成功率，并缩短了患者康复时间。未来CAS的发展重点将集中在开发更好的人机接 口，提高手术安全性和稳定性等方面，同时进一步扩展CAS的应用范嘲。
 

         二、机器人辅助手术
         二十几年前，机器人技术开始进入外科领域。当时，机器人与自动化设备已经在工业领域获得了广泛应用，在操作灵活性、稳定性及准确性方面显示出了很大优势。 为了解决外科手术中存在的精度不足、辐射过多、切口较大、操作疲劳等问题，人们 开始探讨如何在外科手术中引入机器人技术，借助机器人、传感器等新技术的自身优 势，为外科医生提供一类新的治疗方法和系统，提高外科手术的操作精度，减缓医生 操作疲劳，实现微创手术，以期改善手术效果。自1985年报道了例医用机器人至 今，医用机器人技术已经取得了显著发展，从早期的工业机器人平台到目前的专用机 器人，从早期的大型复杂机构到目前的小型模块化结构，从早期的简单定位功能到目 前的多功能、远程手术操作，可以说，医用机器人技术与系统已经形成丁自己的发展特色，正在形成一个新型的、前沿性的学科领域。

         （一）基于工业机器人平台的外科机器人
         早期的外科机器人系统大多采用工业机器人平台。1985年出现的台医用机器 人采用Puma560I业机器人来完成脑组织活检中探针的导向定位。1988年，美国Cali。 fornia大学和IBM公司合作开发了髋关节置换机器人，采用了SCARA结构，并在末端 操纵器上安装了六自由度压力传感器来校正切削动作，通过视觉系统来保证骨骼切削 过程的安全。1989年，英国的皇家学院机器人中心(Center for Robotics at the ImperialCollege of Science，Technology and Medicine)利用改进的Puma机器人进行了前列腺切除 术，大大缩短了手术操作时间。
         1999年，德国orto Maquet公司研制了Caspar机器A采用Stabubli RX90工业机器人构型，可用于全髋或全膝关节置换术中的骨骼磨削以及 前交叉韧带重建术的隧道人点定位，磨削精度达到了0.10mm。 在国内，1997年，北京航空航天大学和海军总医院联合研制了基于Puma262的脑外科机器人辅助定位系统，并成功开展了临床应用，填补了我国医用机器人研究的空 白。2002年，哈尔滨工业大学研制丁基于Motoman工业机器人的骨折手术治疗机器人 试验平台。上述研究和应用大大促进了所在国家和地区以及世界范围内的医用机器人 事业的建立和发展，丰寓了外科手术治疗理念和手段。 但是，由于这些工作大多传承自工业机器人技术，很难避免工业机器人存在的精 度和安全性不高，不符合医生操作习惯等问题。

         （二）专用外科机器人
         20世纪80年代末期，开始出现了专用外科机器人的研制工作。1987年，美国ISS公司推出了个获得美国FDA认证的医用机器人产品NeuroMate系统。系统采用机械臂和立体定位架来完成脑外科立体定向手术中的导向定位，随后在1999年去掉了定 位架，大大减轻了手术创伤。1991年，ISS公司又推出r全球个骨科手术机器人系统，即的RoboDoc，并在当年7月完成了例全髋置换临床手术。尽管由于无法获得FDA评可而不能在美国用于临床，但该系统在欧洲、日本等地获得了广泛应 用。1991年，伦敦帝国理工学院研制了Probot机器人，用于腹腔镜下的手术微操作。 可以说．这些专用外科机器人系统的出现，大大丰富了外科机器人的种类和内容，促进r医用机器人产业的形成。

         （三）小型模块化外科机器人

         20世纪90年代，受微创外科的影响，医用机器人出现了小型化、模块化的发展趋势。1993年，日本的Narumity研制了一套用于微创血管手术的微机器人系统，系统集成了力／触觉传感器和微型泵，属于灵巧型机器人。2001年，以色列Mazor公司推出了 小型并联的脊柱外科机器人SpineAssist。机器人高度不足70 mm，重量不过20g，可直 接安装在骨骼上，大大提高了定位精度和稳定性。
         目前，该系统已获得了美国FDA认 证。2004年，法国Praxim公司也研制r可直接安装在骨骼上的小型机器人Praxiteles． 用于全膝置换的骨骼磨削。2004年，东京大学研制了五自由度小型链式结构机器人， 用于前交叉韧带重建手术的隧道钻孔：2005年，美国Pittshurgh大学研制了Mbars小型并联机器人，同样可直接安装在掰骼上，用于关节击面的磨削成形。
         此外，韩国、新加坡等电着手开展了小型模块化医用机器人的研究。 在国内，北京航空航天大学与北京积水潭医院合作，在2004年研制了小型模块化 丹科机器人“新萌”系统(compact modularized orthopaedic robot system，CMORS)，并成 功进行了临床鹰用。该机器人结构紧凑，可在术中快速装拆，适合于长骨骨折、股骨 颈骨折和骨盆骨折等临床适应证。2004年，上海交通大学与上海第二医科大学合作研 制了用于关节置换的小型机器人系统原型，系统由五自由度小型串联机器人、七自由度可调式支撑臂和NDI Polaris被动跟踪器组成，可通过骨夹直接连接在患肢上，从而 减少了精度损失。 应该说，以传感器技术、微机电技术为基础，适应微创手术的发展需求，小型化、 模块化和智能化已成为未来一段时间内医用机器人研究的重要趋势。 
         三、遥外科手术外科遥操作是在机器人遥操作技术的基础上发展起来的。20世纪40年代到50年 代间，美国Argonne国家实验室研制了一台六自由度遥操作机械臂，实现了远距离操作核放射材料。20世纪80年代，借助当时兴起的微计算机技术，美国JPL实验室（喷气推进实验室）开发了主从式控制系统。这些都为遥外科系统的出现奠定了技术基础。 而遥外科出现的直接原动力来自于战场前线紧急伤员的治疗（因为战场上往往缺乏有 经验的操作医生），但受自身技术发展过程的限制，遥外科至今仍未在军事（包括战 场、太空等）上获得应用，但却在民用领域获得了充分展示。 在遥外科手术中，医生是手术操作的实际规划者和操作者。
         他们根据视频相机反馈的实时图像，操作手柄，直接控制所有手术器械（包括机器人操作终端）的运动。 医生和患者之间的所有数据信息交流都是通过各种人机接口进行的。如何有效地设计并实现这些接口，实现规划端和操作端之间的视觉、力触觉、声音等信息的合理通讯， 是提高遥外科系统性能的关键，相对于传统微创外科，遥外科技术更符合人机工程学和医生操作习惯。现有的微 创外科器械对医生的动作要求非常严格，比如：在微刨膜腔镜或者关节镜手术中，受 小切口处杠杆效应的限制，内镜设备的运动只能有四个自由度（一个直线自由度和三个以切口点为中心的旋转自由度）；而且，医生能够感知的操作末端的真实的力／角m觉 反馈也非常有限，只能通过观察监视器视频中显示的组织变形和颜色变化来做出判断。 而遥外科系统可以改善甚至消除这些缺点。l-时，遥外科还能够提高医生在人体内小 空间的操作灵活性。由于遥外科的主端控制器一般采用六自由度机器人设备（主要是操作手柄），所以医生可以非常灵活地控制从端手术设备在患者体内的灵巧动作；而 且，医生在主端的操作动作被传递到从端设备末端（患者体内）时，能够按比例缩小，并自动滤掉人手的颤动，因而可以大大提高手术操作的稳定性、精确性和安全性、可靠性，降低医生的操作疲劳，提高手术质量。 
         根据医生和患者所处的位置关系，遥外科分为本地遥外科和异地遥外科两种。顾名思义，本地遥外科是指医生和患者同处一室，医生远离患者一定距离，通过交互设 备控制从机器人进行手术操作；Zeus和Da Vinci是典型的两种本地遥外科手术系统。 而异地遥外科则是指医生和患者分别处在不同的位置，如不同的手术室、不同的医院、 不同的地区，甚至远隔千山万垦。目前，本地遥外科系统已经有了商业化产品，而异地遥外科系统仍然处在研究试验阶段。 在异地遥外科方面，1993年，意大利学者在美国JPL实验室控制位于意大利米兰的遥操作实验室的SCARA机器人对猪组织器官进行了异地组织切片检查手术实验：
         1995年，他们叉在意大利本土控制该机器人对实际病人的组织进行了类似试验。这两 次试验均采用了卫星通讯和光纤通讯，而没有采用网络通讯方式。1996年，美国麻省理工学院的Sheridan提出了一种遥外科手术方案：专家在进行远程控制的同时，还要与手术现场的助手进行交互，南助手进行辅助工作。助手可以不是专业受训人员但必须要在专家指导下工作。从后续发展来看，这种方案是切实可行的。1999年，法国的马尔萨克斯在法国斯特拉斯堡市通过网络控制斯特拉斯堡大学医学中心的Zeus机器人进行了异地远程胆囊切除手术；随之，2001年，同样是利用该中心的Zeus机器人，由7000公里之外的美国纽约通过网络控制，为68岁的女性患者成功进行了跨大西洋的远程胆囊切除手术，仅历时45分钟，术后患者恢复顺利，无任何并发症，此即 的“林白”手术。“林白”手术初步证明了遥外科手术的临床可行性，被认为足远程外 科技术发展的一个重要里程碑。此次手术采用了基于ATM网络的专用虚电路服务，手术过程中虽然出现了一些通讯中断、丢包等问题，但都及时得到了解决。
         在“林白” 手术之后，德国、以色列、韩国、日本、新加坡等也陆续开展了此类研究和试验。 国内方面，虽然在20世纪90年代中期就出现了远程会诊，但对遥外科的研究则是近几年才开始。2001年，解放军海军总医院与北京航空航天大学合作，通过局域网进行了远程外科手术的探索实验；并于2003年10月利用“黎元BH - 600”主动机器 人，在北京和沈阳之间完成了国内例脑外科立体走向异地遥操作手术，在视觉标定、ADSL多路视频网络同步传输、基于预览／预测的增强现实等关键技术方面取得了突破性进展。2006年3月，北京积水潭医院与北京航空航天大学合作，利用“新萌” 机器人，在北京和延安之间完成了国内例骨折髓内钉内固定异地遥操作手术，提出并实现了基于窄带网络的远程规划理念，从而在一定程度上降低了异地遥外科对网络配置的要求。 
         可以说，遥外科技术与系统尽管取得了一定发展，但仍面临诸多问题。首先，网 络时延问题，需要将时延降低到人的有效感觉之下，实现临场感手术操作。其次，网 络安全问题，改善网络通讯条件，优化手术所用的数据传输流，保证网络传输效率； 克服数据丢包、病毒、数据变异等问题，提高手术安全性。后，适应证扩展问题，应进一步扩大遥外科手术的应用范围。