MedRobot

30多年前，第一批专家开始探索将机器臂用于外科手术。20年前，医院安装上了第一个商用机器人系统。在过去的十年中，医疗机器人领域取得了突飞猛进的进步。目前，世界各地已安装了数千个机器人手术系统，已经进行了数百万例手术。随着医疗系统对手术机器人的接受程度越来越高，机器人领域的研究者们越来越关注下一代医疗机器人的样子。本文聚焦于过去10年间，对医疗机器人的主要成就进行了回顾性评估。

热点主题

首先，作者通过在Web of Science上检索2010-2020年发表的关于医疗机器人的论文，确定了8个热门主题，有的与特定的临床应用有关（如腹腔镜机器人），有的与在医学中广泛应用的使能技术有关（如软体机器人）。

工程类论文以治疗康复和可穿辅助机器人为主。这两个热门话题约占过去十年发表的工程期刊医疗机器人论文的80%。虽然2010年时这两个主题的发文量相同，但在随后的10年里，治疗性康复机器人的发文量明显超过了可穿戴辅助机器人。值得注意的是，关于这些主题的医学论文数量不到工程论文数量的25%，这可能是由于医学期刊论文通常报道临床试验的结果，而临床试验比工程研究要花费更多的时间和成本。下图图所示的技术远不如上图所示的成熟，因此工程和医学类期刊发文量都较少。其中，磁驱动技术是最成熟的，其工程和医学类论文都呈指数级增长，医学论文滞后于工程论文。这一主题的持续发展在一定程度上取决于微型机器人的临床应用能否得到充分发展。

腹腔镜机器人（Robotic Laparoscopy）

腹腔镜机器人可能是医疗机器人技术中最成熟、商业上最成功的领域。在过去的十年里，在临床、商业和学术上均取得了重大进展。腹腔镜机器人的大部分研究都是临床研究，旨在比较机器人与手动腹腔镜技术在不同外科手术中的疗效。例如，根治性前列腺切除术术、膀胱癌根治性切除术、直肠癌切除术和子宫切除术。2010-2020年，Intuitive Surgical的达芬奇机器人的持续进化发展。该系统现在能够在所有机械臂、半自动臂上安装内窥镜和腹腔镜器械，并改进了器械耦合。在过去的十年里，至少有50种不同的仪器为达芬奇机器人设计。此外，根据Intuitive Surgical的年度报告，达芬奇的使用量增长迅速，2019年完成了120多万次手术。与此同时，Intuitive Surgical在机器人腹腔镜手术中占据垄断地位的专利开始到期，几家大型医疗设备公司开始开发自己的机器人。十年来，学术研究在两方面取得了进展。第一是使用腹腔镜机器人作为开发增强能力的平台。主要包括引入用于研究的开放平台机器人，初步开发手术自动化，以及将力传感集成到腹腔镜工具。第二是减少手术侵入性的新机器人架构。单孔手术系统得到了最多关注，如Intuitive Surgical最近推出的商用系统达芬奇SP。

达芬奇SP（图源：Intuitive Surgical）

重点领域包括：

开放平台内窥镜手术机器人（ppen platform laparoscopic robots）

外科手术自动化（surgical automation）

导航、术中成像和可视化（navigation, intraoperative imaging, and visualization）

接触力感知与控制（contact force sensing and control）

单孔内窥镜手术机器人（single-port laparoscopic robots）

可分离外科手术机器人（detached surgical robots）

非腹腔镜手术专用机器人（Nonlaparoscopic Procedure–Specific Robots）

受达芬奇机器人在腹腔镜手术中的成功启发，在过去的十年里，外科医生和工程师也在探索非腹腔镜手术的新机器人解决方案。

重点领域包括：

腔内和自然开口手术（endoluminal and natural orifice surgery）

显微手术（microsurgery）

未来展望：

几个令人兴奋的发展将使促进手术专用机器人平台的新一轮创新。在过去的十年里，电极阵列转向和人工耳蜗植入方面都开展了相应的研究。这些例子表明利用软体机器人和可能的磁驱动创建深度导航新平台的潜力。操将纵和诊断传感相结合方面也开展了令人兴奋的工作。研究者认为，为提高外科手术的效果，活体实时传感还有待进一步研究。可以将术中感知与自适应辅助行为（虚拟固定装置或共享控制）结合的系统也将帮助外科医生实现快速临床部署，并提高感知和性能。

可穿戴辅助机器人（Assistive Wearable Robotics）

可穿戴辅助机器人关注其设备的设计和控制，旨在改善肌肉骨骼或神经肌肉损伤患者的行动能力或功能。该领域的突出进展包括为上肢和下肢截肢患者开发的机械假肢（也称为动力假肢），以及为神经肌肉损伤患者，如脊髓损伤、中风、多发性硬化症或脑瘫患者开发的外骨骼。尽管该领域的历史至少可以追溯到20世纪60年代初，但直到2010年至2020年的十年间，可穿戴辅助机器人才得到了充分的实现。

重点领域包括：

RoboCT公司开发的UGO下肢外骨骼系统（图源：RoboCT）

康复治疗机器人（Therapeutic Rehabilitation Robots）

辅助外骨骼和假肢旨在取代损失的功能，而康复机器人的设计目的在于神经损伤（最常见的是中风和脊髓损伤）后为肢体提供重复运动治疗，从而恢复患者自身能力。治疗辅助机器人设备能够诱导或促进神经可塑性，执行伸手、抓握、行走和脚踝运动，从而恢复运动范围和运动协调，恢复患者的肢体功能，在某些情况下，能够在没有机器人设备支持的情况下提供自我护理、独立生活，甚至在受伤后重返工作岗位。自20世纪90年代初引入，康复机器人作为提供精确、重复运动治疗的手段，在设计、制造、控制和临床转化方面取得了重要进展。在2010年前的十年中，主要研究成果包括为神经康复开发的第一代机器人设备的临床评估和商业化，包括用于步态康复的外骨骼，如Lokomat，以及用于上肢康复的末端执行器型机器人，如InMotion ARM。自最初的发展以来，在21世纪初，研究人员开始为上肢开发新的外骨骼型机器人，该机器人可针对肘部和肩部远端的特定关节运动，而下肢外骨骼则可促进地面行走。2010年-2020年，研究者们完成了控制算法的基础性工作，这旨在更好地协调机器人和患者之间的运动。

重点领域包括四个方面：

第一，新颖的外骨骼样式设计，关注上肢的远端关节，并在驱动和结构上都融入了柔顺性和软体材料；

第二，新控制算法的开发，以调节患者与机器人之间的交互，最大限度地提高患者参与性。

第三是，意图检测方法的创造，以推断和支持病人想要的动作，而不是规定或预先编程机器人运动轨迹。

第四，对神经恢复进行客观和定量评估的机器人装置的推广使用。

机器人技术用于康复（图源：SelectMedical）

未来展望：

未来的研究工作将侧重于更好地理解神经可塑性的机制，包括如何可靠地诱导和利用它来最大限度地提高治疗效果。这依赖于神经科学的进步，包括记录神经元活动的新技术。机器人技术的进步对实现上述目标也至关重要，包括开发更合适的设备，以及嵌入设备中的更精确的传感和致动，以确定可最大程度促进功能和独立性恢复的上肢和下肢的远端自由度。最后，先进的控制算法可以更准确地实时表征患者的能力，不仅可以调整完成动作所需的支持水平，还可以施加适当的阻力或挑战。

胶囊机器人（Capsule Robots）

世纪初，Given Imaging（现美敦力）推出了无线胶囊内窥镜，作为检查胃肠道的微创方法。只需吞下一粒“药丸”就可以收集肠道深处的图像，这一可能性彻底改变了胃肠镜领域，并引出了一个全新的研究领域：胶囊医疗机器人。

美敦力Pillcam胶囊机器人（图源：SelectMedical）

研究者很快就认识到，传统的胶囊内窥镜在胃肠道中被动移动，受到无法与肠道相互作用并进行干预的限制。解决这一问题的第一个自然方法是采用“机载驱动”，使用内部微型运动机构（如腿）主动控制胶囊。然而，学界对这种方法的热情迅速下降：使用现有技术，将包括充足电源在内的复杂机制集成到“药丸大小”的设备（通常长度为24毫米，直径为11毫米）中是不切实际的。为了解决这一问题，研究者探索了磁驱动的替代方法。磁耦合的使用绕过了对复杂机构的需求，减少了板载功率需求，从而降低了设备的总体尺寸和复杂性。这种形式的致动通过外部产生的磁场操纵胶囊（包含嵌入式磁体）。这种简单的机械布置可以精确地控制胶囊定向并产诱导相对运动。磁场可以由永磁体或电磁体产生，电磁铁在改变磁场大小方面可提供更好的控制程度，但产生的体积磁通密度低于永磁体。医疗胶囊机器人现在是标准介入内窥镜检查的可行的临床替代品。

未来展望：

在下一个十年开始之际，胶囊机器人将与智能磁控制和多模态成像（如多光谱、自发荧光和微超声）和微/纳米机器人相结合，提供前所未有的诊断和治疗能力。除了临床用途外，还可以提供研究平台，深入人体，解决与微生物组等相关的其他科学问题。未来，在能量存储或无线电力传输方面还可能取得令人兴奋的进展，将重振板载驱动方法或“多尺度操作”，如一个胶囊器人部署一支介入微型机器人大军。无论未来如何，医疗胶囊机器人始终都是一个令人兴奋、快速发展且极具影响力的研究领域。

磁驱动医疗机器人（Magnetic Actuation for Medicine）

早在被用于身内成像之前，磁场就被用于进行手术。使用磁场提取意外嵌入眼睛的铁屑的记录至少可以追溯到17世纪和工业革命期间。20世纪50年代，首次对磁场用于引导尖端安装有磁铁的导管进行了研究。然而，直到2003年，Stereotaxis的Niobe机器人磁导航系统才用于商用，该系统使用两个移动的永磁体产生变化的磁场，用于引导心内膜消融导管治疗心律失常（电生理程序）。尽管这种磁导导管系统的市场渗透率一直很低，但在过去的十年中，研究人员和医疗器械公司的对其兴趣愈发浓厚，关于该主题的论文数量呈线性增长。

重点领域包括：

多自由度电磁导航系统建模（modeling multi-DOF electromagnetic navigation systems）

磁引导微型机器人（magnetically guided microrobots）

毫米尺度上的磁运动策略（magnetic locomotion strategies at millimeter scales）

磁引导导管（magnetically guided catheters）

（A）传统腹腔镜手术；（B）局部磁驱动机器人腹腔镜手术（图源：Robotics at Leeds）

软体医疗机器人（Soft Robotics for Medicine）

软体机器人本质上是柔顺结构和智能材料，从一开始就与仿生学和生物灵感密切相关。另一方面，人们对柔体仿生机器人日益增长的兴趣，也促进了智能材料的研究，这些智能材料可从宏观尺度到纳米尺度，用于制造软体机器人或为其提供传感和驱动能力。比如，大多数关于具有传感能力的人造皮肤的研究，都可以在应用软体机器人和设备的文献中找到。纵观过去10年的文献，有许多关于软体仿生机器人各种应用的基础性综述或调查性论文，也有许多关于新型智能材料的研究论文和综述，其中，传统的硅基传感技术被具有智能行为的硅基技术所取代。就过去10年的高被引论文而言，排除材料研究论文和调查性论文，可以将软体机器人分成两类：一种是用于康复或人体增强的可穿戴软体机器人。第二种包括介入和外科手术机器人或相关组件。

在介入和手术领域的三个主要主题是：

（1）用于手术或介入的软体设备，其中整个传统设备被宏观和微观规模的软体机器人设计所取代；

（2）软体、仿生或顺应性的组件，可作为独立的设备工作，或者集成到传统系统中；

（3）高级模拟器的软体组件和系统，用于训练和研究机器人和生物人工器官之间的特定生理功能。

用于手术和药物递送的软体机器人（图源：Nature Reviews）

连续体医疗机器人（Continuum Robots for Medicine）

连续体机器人通过弯曲变形而不非离散关节来改变形状，与传统的机器人机构相比，由于能够实现3D变形，这种机器人可通过更小的通道进行手术。它们可以通过自然开口进入人体内，通过体内腔导航，在通过实体组织时绕过关键结构。与传统设计相比，连续体机器人的弯曲顺应性也提高了其安全性。在2010年之前的十年中，主要的研究进展涉及开发肌腱和多骨架驱动连续机器人结构的设计原理和基于力学的运动学模型。这促成了医疗机器人商业化，例如汉森医疗的肌腱驱动心脏导管。此外，还提出了一种肌腱驱动设计，用一系列由球形关节连接的短圆柱连杆代替柔性主干。这一设计成为Medrobotics公司商业化手术机器人的基础。在2000年代，同心管机器人的概念首次被引入，但直到2010年才完成对该架构的设计原理和运动学模型的完整描述。

在2010年至2020年的10年间，连续体机器人的研究主要集中在四个领域：

在机器人建模和控制中整合外部接触和负载

开发控制机器人刚度的方法

创建软体连续体机器人

设计用于特定临床应用的连续体机器人。

重点领域包括：

扩展运动学模型以纳入外部接触和载荷（extending kinematic models to consider external contacts and loads）

刚度控制（stiffness control）

软体连续体机器人（soft continuum robots）

特定应用的连续体机器人设计（application-specific continuum robot design）

根据其结构和驱动方法对连续体机器人的分类（图源：Hansen Medical）

讨论

提高医疗机器人自主性的特定应用趋势

自1990年以来发表的19000多篇关于医疗机器人的工程论文中，只有少数可以为现有的商用医疗机器人赋能。即使的具有高技术影响力的论文，其专利引用数量也不多。在某种程度上，这可能是由于技术开发与其商业应用之间的巨大滞后。技术研究与医疗器械商业化现实之间的不匹配也是影响因素之一。将机器人技术应用于临床，需要的不单单是被引用的研究文章，必须要确定真正临床需求，必须要开发相关的技术来满足这临床需求，并考虑机器人如何为临床医生和患者增加价值的细节。技术的开发还必须充分考虑医院的行政和财务限制，不妨碍完善的临床工作流程；必须尽早识别潜在风险，以便获得伦理批准；必须开发有吸引力的商业模式，以确保能够获得足够的投资，使该技术顺利通过医疗设备获得商业成功必经的复杂途径。要最大限度地提高成功的几率，技术研究者者必须走出象牙塔，与临床医生、监管机构、投资者和商界建立深入的合作。

主编｜赵清

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