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1.山东省立第三医院医学工程部，山东济南 250031；2.济南市第一人民医院设备科，山东济南 250011

[摘要]本文首先介绍了微创手术的发展以及医院对外科手术机器人的需求。通过了解国际外科手术机器人的发展以及应用，结合国内手术机器人的市场现状，重点介绍达芬奇机器人手术系统和天玑骨科手术机器人，包括其构成、特点、性能、应用范围、应用实例，手术机器人发展前景等。本研究可以为临床微创手术提供新的开展方法思路。

[关键词]医疗科技；微创手术；外科手术机器人；达芬奇机器人手术系统；天玑骨科手术机器人

引言

硅谷知名投资人Fusion Fund创始合伙人张璐在美国医疗领域人工智能应用行业报告提到“人工智能与医疗健康双向驱动”的理念：一方面，人工智能的众多技术在医疗方面得到了优秀的商用价值体现；另一方面，创新型的AI技术也给医疗创新带来了新的机会。尤其是通过把传统的离散生理信息通过机器学习等技术整合起来，医疗领域未来的个性化和导向化趋势将更加明确和快速地到来。

随着医疗科技的发展和临床对微创外科手术难度和精准度要求，外科手术机器人应运而生。外科手术机器人具有稳定性好、操作灵活、运动精准、手眼协调等特点，是微创手术未来发展的方向。医疗机器人按照应用范围主要分外科手术机器人、外骨骼康复机器人和护理机器人3种，本文主要从外科手术机器人的国内外发展进行论述。

微创手术[1-2]是现代手术发展的重要趋势，同时满足了现代人患病后的手术治疗追求，对患者手术创伤愈合、表面创口美观度有重要保证。在医疗技术不断更新和发展中，腹腔镜微创手术的适应范围逐渐扩大，但由于传统腹腔镜微创手术的特点制约，在胸外科、泌尿外科、妇产科、肝胆、胃肠的微创手术仍然存在较大的难题。随着国外内窥镜手术器械控制系统（通称“达芬奇手术机器人”）的出现和发展成熟，微创手术治疗的适应症和手术质量都很大程度的提升，这是目前传统电视窥镜微创手术的重大发展和延伸，符合人们对设备和治疗质量的期待。

微创外科曾被评为改变人类生活的百大发明之一。不断降低手术的创伤是外科医生不懈追求的目标，而微创外科理念是推动外科手术技术不断创新和发展的指导思想和动力。二十一世纪是微创外科的世纪[3-4]，进入二十一世纪以来，机器人手术系统（达芬奇手术系统）作为微创外科新的理念推动了微创外科技术进一步发展。机器人辅助手术在临床各专业领域正日益流行起来，尤其在肛肠外科及泌尿外科手术中应用已较为成熟。在肝胆外科领域，机器人肝切除近年来也取得了长足的进步。

1 研究现状

医疗机器人是集数据系统、信号传输系统、传感系统、导航系统等多层面于一身的人工智能在医疗方面应用的典型，而外科手术机器人又是医疗机器人中最具特色的典范[5-6]。国际上很多专家致力于微创外科手术机器人领域的研究。本文主要从国内外外科手术机器人产品的发展以及应用到国内市场的情况进行讲述。目前国外手术机器人的研究起步相对较早，技术也相对成熟，其中达芬奇机器人手术系统、脊柱手术机器人、Magellan机器人手术系统、Flex Robotic系统、Verb Surgical、超微型机器人ViRob 和TipCAT为典型代表。国内手术机器人因为起步相对较晚，还处于研发状态，技术成熟的产品相对较少，其中天玑骨科手术机器人、思哲睿手术机器人、神经外科导航定位机器人、妙手机器人、消化道胶囊机器人为典型代表[7]。

1.1 达芬奇机器人手术系统

外科手术机器人最为典型的代表就是达芬奇机器人手术系统[8-9]，是以麻省理工学院研发的机器人外科手术技术为基础。Intuitive Surgical公司随后与IBM、麻省理工学院和Heartport公司联手对该系统进行了进一步开发。FDA已经批准将达芬奇机器人手术系统用于成人和儿童的普通外科、胸外科、泌尿外科、妇产科、头颈外科以及心脏手术。达芬奇外科手术系统是一种高级机器人平台，其设计的理念是通过使用微创的方法，实施复杂的外科手术。达芬奇机器人由3部分组成：外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统[10-11]，见图1。

外科医生控制台：主刀医生坐在控制台中，位于手术室无菌区之外，使用双手(通过操作两个主控制器)及脚（通过脚踏板）来控制器械和一个三维高清内窥镜。正如在立体目镜中看到的那样，手术器械尖端与外科医生的双手同步运动。

床旁机械臂系统：外科手术机器人的操作部件，其主要功能是为器械臂和摄像臂提供支撑。助手医生在无菌区内的床旁机械臂系统边工作，负责更换器械和内窥镜，协助主刀医生完成手术。为了确保患者安全，助手医生比主刀医生对于床旁机械臂系统的运动具有更高优先控制权。

成像系统：装有外科手术机器人的核心处理器以及图象处理设备，在手术过程中位于无菌区外，可由巡回护士操作，并可放置各类辅助手术设备。外科手术机器人的内窥镜为高分辨率三维（3D）镜头，对手术视野具有10倍以上的放大倍数，能为主刀医生带来患者体腔内三维立体高清影像，使主刀医生较普通腹腔镜手术更能把握操作距离，更能辨认解剖结构，提升了手术精确度。

1.2 天玑骨科手术机器人

天玑骨科手术机器人[12]由北京天智航医疗科技股份有限公司生产，国内第一台有医疗器械注册证的手术机器人产品。用于辅助医生精准定位植入物或手术器械，应用范围是脊柱外科、创伤骨科。2015年8月至10月间，北京积水潭医院使用机器人辅助技术陆续完成了世界首例基于术中实时三维影像的机器人辅助脊柱胸腰段骨折的微创内固定手术、世界首例基于术中实时三维影像的机器人辅助寰枢椎经关节螺钉内固定术和世界首例基于术中实时三维影像的机器人辅助齿状突骨折内固定术，2016年12月18日，中华医学会第十八届骨科学术会议暨第十一届COA国际学术大会上，北京积水潭医院院长田伟提到，北京积水潭医院全年共做45000台骨科手术并一举做到了世界上单个医院骨科手术量最大的位置。

2 技术与应用

2.1 达芬奇机器人手术系统

微创外科手术由于其创伤小、恢复快、住院时间短、床位周转率高等优点，已经成为医院和患者所共赏的手术途径[13]。

达芬奇机器人外科手术系统是当今外科领域最先进的、独一无二的高科技产品[14]。它的出现，使我们在微创外科领域找到了发展的方向和目标。它不仅具备传统微创外科手术的所有优点，同时还拥有更多、更突出的优势[15-16]：① 直视三维立体视野，极强的景深感使术者有身临其境般的感觉；② 与开放手术完全相同的操作习惯，学习曲线大大缩短；③ 术者可以随心所欲的完成全部操作，避免了与助手之间配合不熟练引发的安全性及低效等问题；④ 术野图像可以放大10倍，使超精细操作成为可能；⑤ 拥有7个自由度的可转腕手术器械，完全重现人手的动作，并超越了人手的活动范围；⑥ 自动分辨和除颤功能，使精细手术变得更加简单和安全[17-18]。

达芬奇手术机器人系统和开放手术、传统腔镜各有其优缺点，其特点对比，见表1。

（1）达芬奇手术机器人[21]（内窥镜手术器械控制系统）是美国宇航局将高新科技用于临床医学的产物，它是尖端航天技术与医学治疗的完美结晶，代表人类最尖端的科技水平。

（2）当今所有学科的世界顶级学术会议，如ACS、AATS、AAU、AAG等都有达芬奇机器人（内窥镜手术器械控制系统）专题的卫星会，推动和讨论机器人外科在各个医学学科的发展。

表1 达芬奇手术机器人系统和开放手术、传统腔镜的比较

（3）达芬奇手术已经成为某些单病种手术的金标准。例如，美国AUA泌尿外科学会在前列腺癌诊疗指南中将达芬奇手术列为前列腺癌手术治疗的金标准[22-23]。根据美国《美国新闻世界报道》统计，达芬奇手术机器人已经成为评选全球最优秀医院的主要参数。

（4）目前已经在中国大陆上市的最新一代技术：能供双人同时操控的双操控台配置。

2.2 天玑骨科手术机器人

天玑骨科手术机器人系统由机械臂主机、光学跟踪系统、主控台车3个部分组成，是一种根据手术中的3D图像进行手术空间映射和手术路径规划的机器人定位系统，见图2。

系统包括手术计划和控制软件系统、机器人、光学跟踪系统等。手术计划和控制软件具有自动识别3D图像中的体表特征标记点的功能，并通过标记点配准原理实现患者空间、机器人空间、图像空间的坐标映射。

机器人具有一个6自由度串联机械臂，臂长超过800 mm，在术中完成定位标尺（体表标志点安装装置）支撑、手术路径定位、导针把持等功能。机器人具有主动定位和人机协同运动功能，可以通过结合医生拖动的粗定位和机器人主动定位的精确定位，实现安全准确的手术定位。光学跟踪系统提供患者和机器人位置实时跟踪数据，手术计划和控制软件系统根据这些数据实时计算手术工具与规划的手术路径的相对位置，并据此控制机器人运动，实现手术工具位置的定位补偿。

3 应用实例

3.1 达芬奇机器人手术系统

达芬奇手术全球[24]已经有数十个不同的国家三千多家医院正在使用该系统从而造福患者；截止2017年3月31日全球已安装了4023台，其中美国有2624台，欧洲678台，亚洲520台及其他地区201台。每年全球完成的机器人手术量以15%左右的增速逐年快速增长。例如，2014年全年有57万台使用达芬奇手术系统进行的手术，无一例出现质量或安全问题；2015年，约65万例，达芬奇机器人年手术量同比增长14%。2016年，全球各国完成达芬奇机器人手术共计约75万例，增长15%；同时《美国新闻世界报道》杂志评选的美国“50家最好的肿瘤外科医院”、美国“40家最好的泌尿外科医院”、美国“50家最好的心外科医院”、美国“50家最好的妇科医院”均已使用了该系统。

截止到2017年11月，中国大陆共安装67台，其中地方医院43台，军区医院24台。达芬奇手术机器人在地方医院的配置上有较高的要求，以山东省为例介绍配置要求与配置现状：① 达芬奇机器人手术系统属于甲类大型设备，设备购置需要经过国家卫计委的配置许可；② 2013年山东省获得2套达芬奇机器人手术系统的配置量，目前已用一台（军区总院属军队序列，不在此范围内）；③ 2015年后国家卫计委未进行相关程序审批，地方医院均无法购置；④ 达芬奇机器人手术系统配置审批分为两个方面，技术审批（医院等级、手术范围、手术能力）和管理审批（需有不低于设备总价50%的财政资金）；⑤ 目前省内有5家以上地方医院正在积极申请达芬奇机器人手术系统。2007年1～7月达芬奇手术机器人国内手术总量，见表2。

3.2 天玑骨科手术机器人

目前全国共销售28台。2017年12月工业与信息化部办公厅、国家卫生计生委办公厅同意了北京积水潭医院等21家牵头医院创建骨科手术机器人应用中心，山东省的骨科手术机器人应用中心为山东大学第二附属医院、烟台山医院牵头，下属有省立医院西院、济南一院、济南三院等。牵头医院可申请成立骨科手术机器人国家级应用中心和培训中心，联合医院可申请成立骨科手术机器人区域应用中心，联合医院可申请成立骨科手术机器人区域级应用中心，经考核评估达标，工信部、国家卫计委将授牌，并结合给予支持。

4 总结与展望

4.1 医院配置外科手术机器人的优缺点分析

医院配置外科手术机器人的优点：① 目前能够配置手术机器人的医院均为知名医院，手术机器人的配置是一个医院实力展示，有利于医院的宣传[25]；② 通过手术机器人，临床可以做出更多的科研项目，提升医院整体科研能力；③ 手术机器人可以做到更小的创口、更精准的切除[26]；④ 辅助临床外科医生[27]，使手术变得更为便捷；⑤ 手术机器人做手术尤其是时间较长的手术具备外科大夫不具有的不疲劳手术能力；⑥ 经手术机器人手术的患者可以缩短患者恢复时间，有利于提高床位周转率。

医院配置外科手术机器人的缺点：① 手术机器人目前仍属于较为小众的产品，价格昂贵，配置压力较大；② 收费标准均为地方性标准且差异较大，但收费均在万元以上；③ 没有医保项目，患者接受度较低；④ 进口手术机器人耗材使用费用较高，不利于医院对耗材占比的控制。

4.2 外科手术机器人发展展望

外科手术机器人的应用对传统手术的进行了革新，应用的越来越广泛。虽然进口外科手术机器人的昂贵购置价格、国家配置允许、耗材费用较高等限制了其在国内的广泛开展，但从手术效果等角度来看，外科手术机器人的微创和术后较快恢复，能够让患者早日出院，降低患者术后的复发风险。同时国内诸多研发团队和公司也在积极的对外科手术机器人进行研发，并有成熟产品投入使用，会让更多的患者享受到先进的医疗技术。外科手术机器人是对传统外科手术的进一步发展和挑战，它标志着外科医疗将进入一个崭新的时代[28-29]。随着医疗科技的进一步发展，外科手术机器人必将为医疗事业带来更多的便利。

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WANG Enyun1, WU Xueqian1, XUE Li1, ZHANG Yong1, WANG Feng2
1.Department of Medical Engineering, Shandong Provicial Third Hospital, Jinan Shandong 250031, China;2.Department of Engineering, First People’s Hospital of Jinan, Jinan Shandong 250011, China

Abstract:The development of minimally invasive surgery and the hospital’s demand for surgical robots was introduced firstly in this paper. Then, the Da Vinci robotic surgery system and the angel bone surgery robot, including the composition, characteristics,performance, application scope, application examples, development prospect of surgical robot, were introduced by understanding the development and application of international surgical robots and combining with the current market situation of domestic surgical robots. This study can provide a new approach for the development of clinical minimally invasive surgery.

Key words:medical technology; minimally invasive surgery; surgical robot; Da Vinci surgical robot; “TianJi” orthopedic surgery robot

通讯作者：张勇，主任医师，主要研究方向为肝胆结石的微创治疗。

外科手术机器人的国内外发展概况及应用

引言