系列化微创外科手术器械研究论文

自从首例在腹腔镜下施行胆囊切除术之后,胆道外科技术经历了革命性的改变。当前,已经有越来越多的传统外科手术方法被腹腔镜外科所取代。然而,腹腔镜胆囊切除术并非平安无事。当前,由于影像学技术的发展,例如对肝内、外胆道的虚拟现实、三维重建等,可以有助于对复杂胆道外科问题如肝内胆管结石和其他肝内病变的手术前评估和手术设计。约占原发性肝癌5%～10%的肝内胆管癌由于其与肝细胞癌有不同的病理-生物学特点,故在治疗措施选择上应得到特殊的关注,一般应该施行广泛的肝切除手术而不是局部切除或消融。关于肝门部胆管癌的治疗,扩大的肝切除术可以改进早期的、无淋巴结转移病变治疗结果。当前,在微创外科时代,许多传统的外科手术将在微创外科理念下重新受到检验。

机器人微创手术不仅具有传统微创手术创口小、疼痛轻、出血少及术后恢复快等优点，同时也解决了传统微创手术中存在的诸多问题：如基于主从控制的手术方式能够减轻医生手术时的疲劳，并解决传统微创手术中存在的“筷子效应”问题；机器人能够实现更为复杂精细的手术操作，可以极大地拓展医生的手术能力。正是由于这些无可比拟的优势，机器人微创外科手术已经得到了外科手术领域的广泛认可，国内外众多医疗机构都对微创外科手术机器人表现出极大的使用欲望，研制和开发具有自主知识产权的微创外科机器人系统不但具有很高的学术研究价值，同时也可以带来巨大的社会经济效益，这是本文开展微创外科手术机器人系统研制工作的目的及意义所在。通过对微创外科手术操作环境进行分析，提出了微创外科手术对机器人机构设计的基本要求，并在此基础上研制出了由手术机械臂系统及手术微器械组成的机器人执行系统。为了满足微创手术所需的术中空间不变点，本文对复合平行四边形机构进行改进，研制出一种基于钢带传动的新型平行四边形远心点运动机构，并将该机构用于本文的机械臂机构设计中。此外，本文还研制出一种采用钢丝驱动的单自由度关节，并将该关节用于手术微器械的腕部机构设计中。实际的微器械腕部运动测试表明该单元关节具有较好的运动灵活性，完全能够满足微创手术微器械腕部机构设计要求。为了满足微创手术对机械臂术中运动灵活性的要求，采用机械臂雅可比矩阵的奇异值构造了基于条件数和可操作度的综合灵巧度评价指标，并建立了基于该综合评价指标的机械臂灵巧度优化模型。通过采用序列二次规划算法对该优化问题进行求解，实现了对机械臂术中运动灵巧度的优化，优化结果表明机械臂在其工作空间内具有良好的各向同性及可操作度，能够满足微创手术对其运动灵活性的要求。此外，本文采用摆位机构的封闭逆解方程对梯度投影算法进行改进，并采用改进的梯度投影算法对机器人执行系统进行了术前摆位规划；双器械机械臂在动物胆囊摘除手术中的实际操作性能表明该术前规划方法对机器人系统的术前摆位具有较好的指导性作用。针对所研制的微创外科手术机器人系统，提出了一种基于位姿分离的主从控制算法，该主从控制算法通过实现主从运动映射中的位置和姿态分离，将手术机械臂系统中的6自由度串联机构逆解问题简化为两个3自由度串联机构的逆解问题，极大地降低了机械臂系统的逆解求解难度。同时，本文采用该主从控制算法实现了基于主手位置增量的主从轨迹跟踪控制，并成功解决了手术过程中的主从一致性问题、主从二次映射问题以及轨迹跟踪过程中的位置指令平滑处理问题。此外，本文提出了基于器械末端位置不变的腕部姿态细分算法，该算法可实现术中手术器械的快速安全更换。在上述研究基础上，本文对所研制的手术机器人进行系统集成，并对机械臂系统中的远心点机构进行标定测试，测试数据表明该机构能够满足微创手术对远心点空间位置稳定性的要求。同时，本文通过采集手术过程中的实际数据对提出的主从控制算法进行验证，结果表明该主从控制算法能够较好的实现机器人系统的主从轨迹跟踪控制。最后，本文通过实际的动物胆囊摘除手术对所研制的手术机器人整体操作性能进行验证，手术结果表明该机器人系统具有较好的术中操作性能，并基本具备开展临床手术的能力。[1] 谢碧云,赵京. 基于条件数约束的方向可操作度[J]. 机械工程学报. 2010(23)[2] 谢宗武,孙奎,刘宏. 扩展雅克比方法的冗余度机器人逆运动学应用[J]. 哈尔滨工业大学学报. 2009(05)[3] 潘博,付宜利,杨宗鹏,王树国. 面向冗余机器人实时控制的逆运动学求解有效方法[J]. 控制与决策. 2009(02)[4] 冯美,付宜利,潘博,朴明波. 腹腔微创手术机器人末端执行机构的设计和实现[J]. 机器人. 2009(01)[5] 孙立宁,张剑,杜志江. 一种基于图像导航的骨外科手术机器人系统[J]. 哈尔滨工程大学学报. 2006(02)[6] 王树新,丁杰男,贠今天,李群智,韩保平. 显微外科手术机器人——“妙手”系统的研究[J]. 机器人. 2006(02)[7] 岳龙旺,许天春,贠今天. “妙手”系统机械结构设计与优化[J]. 机器人. 2006(02)[8] 付西光,颜国正. 7-DOF核工业机器人的轨迹规划与仿真[J]. 系统仿真学报. 2005(08)[9] 祖迪,吴镇炜,谈大龙. 一种冗余机器人逆运动学求解的有效方法[J]. 机械工程学报. 2005(06)[10] 管荣祥,张恒,王胜. 机器人辅助下的腹腔镜手术[J]. 江苏大学学报(医学版). 2004(03)

在美剧、日剧里常出现，结合 AI 和机械手臂协助医师进行手术的「达文西手术系统」，不仅视野广、术后伤口小，稳定性也极高，可避免医师手抖的问题，减轻负担，但这套系统真的万无一失吗?

像无人机这样有类似导航功能的高科技设备，目前在医院里也有，同时结合了聪明的 AI 和机械手臂，协助医师进行手术，它就是鼎鼎大名的「达文西手术系统」。

这几年来台湾各大医学中心纷纷购置达文西机械手臂，密度应该是世界数一数二。主打的优点是术后伤口小、复原快，缺点是价格昂贵。

达文西手术的特点是用电脑系统导航，透过聪明的人工智慧电脑程式为执刀医师建立更为清晰的 3D 地图，并协助机械手臂定位，在狭窄的体腔内依然可以活动自如，完成复杂的外科手术，因此在妇产科、泌尿科的应用最广，近年来在一般外科、耳鼻喉科也逐渐广泛应用，特别是一些微创手术，例如摄护腺相关手术，摄护腺癌根除术等。

多年来微创手术已取代过去大部分的开腹手术，成为现今国内的主流手术方式。顾名思义，微创手术就是利用内视镜器械取代医师的手，在造成最小伤口的前提下，达到手术效果，不仅减轻术后疼痛、恢复时间短，甚至在外观上，也可以缩小手术留下的疤痕。微创手术中最出名的便是达文西手术，以先进的腹腔镜手术，并用电脑系统操控机械手臂及器械，取代一般的内视镜手术器械。

达文西手术系统最特别的是主刀医师在手术时，不须和手术团队及患者一起待在手术房，而是坐在数公尺外的远端控制舱，就像是操作无人机的「飞手」，操作电脑系统让机械手臂进行手术。因为机械手臂的稳定性高，不仅可以避免操刀医师手抖的问题，又可减轻手术医师负担，降低疲劳度，另外加上透过 AI 技术建立清晰数十倍的 3D 立体视野，层层的组织能被看得更清楚，增加手术精准度。

除此以外，电脑操控的手术器械宛如外科医师手腕般灵巧，可在腹腔内随心所欲的进行缝合，或精准地剥离组织及血管等，一般内视镜器械在狭窄的体腔内会受到很多限制，然而灵巧的达文西手臂器械几乎可以克服这些限制；例如摘除子宫肌瘤的手术，过去需要一至两小时，若使用达文西手臂，熟悉操作的医师号称只需要十余分钟的时间，即可完成精密的手术。

说到这里，读者难免会猜想达文西手术系统是否在未来将取代医师替病患动手术？事实上，这套系统在医疗用途上的主要功能是一种辅助医师动手术的工具，而非取代医师。从上文的说明中，可以了解到具备机器手臂的 AI 系统，只是增强了外科医师的能力，减少手术中一些人为因素造成的预后问题;就像现在一般飞机都具有自动驾驶的功能，但关键的降落、起飞，往往还是需要倚靠机师的专业与经验才能确保真正的安全。

但机器人并非完美，手术机器人甚至有一些相当明显的缺点，例如没有触觉，医师无法感知到患者皮肤的触感、脉动;另外由机器手臂替代医师操刀，可能会增加躺在病床上患者的紧张程度;还有手术医护人员团队需要更多专业的培训等。美国新闻媒体几年前甚至专文报导达文西手术，用的耸动标题是 ─ 「你准备好让那一只毫不犹豫且不会颤抖的机器手臂替你开刀了吗？」

没有手术是零风险的。虽然美国 FDA 核准达文西机械手臂手术已近二十年了，单在全美的医院一年就进行将近六十万次的达文西机械手臂手术，就有医师承认其实是在经历上百场手术后，才真正适应了机械手臂操作，这也暗示了没有真正熟悉机器手臂，但正在使用达文西手术系统进行手术的医生并不在少数。外科手术中的各种术式本身就有学习曲线，外科医师操作机械手臂的技术本身具有一定难度，理应存在更复杂的学习曲线。若是医生未进行充足的培训就操作机器手臂进行手术，可能会增加术后并发症的机率。

美国 FDA 在 2015 年公布的数据显示，自 2000 年至 2013 年间，使用达文西机器人手术意外失败而死亡的患者已超过百人。此外，根据美国、英国等几个大型研究发表在 JAMA（美国医学会杂志）的报告也显示，虽有一些小型研究认为微创手术优于开腹手术，但机器人微创手术对于治疗大肠癌的五年存活率，与传统开腹手术并无明显差异，听起来是有一些讽刺。

至于在亚洲的医疗市场，机械手臂手术在医疗上则有不同的风貌， 如日本、中国、南韩、新加坡以及泰国等以机械手臂发展为主的国家，在 *** 的支持下，不仅不断大量自国外购买机械手臂导入医院及研究中心，同时也结合自有技术，发展更广之应用。根据 IDC Health Insights 的报导， 2019 年在亚太地区，不含日本在内，医疗机构在机械手臂手术上的花费大约是 37 亿美元，但是预测在 2022 年前将会增加一倍；该报导也对研发达文西机械手臂的位于加州 Intuitive Surgical 公司做过财务分析，预测该公司在 2025 年的市值约在 150 亿美元。

这些亚洲国家在发展 AI 系统搭载机械手臂的医疗手术上，采取的策略不尽相同，以中国为例，迄今进行达文西机械手臂手术约在六万次左右，但是在过去两年已经有三十家各式医疗上、中、下游的本土厂商正在进行并购及整合，预测应会有至少两家胜出，并以自有品牌进入大陆之国内市场;至于在病患实测上，目前仅在少量的数十家地区军医院中进行测试。日本 *** 则是支持并结合五家大学之医学中心，发展下一代的手术用精密控制机械手臂。至于新加坡与南韩，则大部分以 AI 电 脑系统结合机械手臂相关产业之新创公司为主，包括韩国汽车大厂现代重工也有大量投资，其中以机械手臂及高阶影像设备制造为主。从这些市场的趋势可以看出，亚太地区国家在医疗市场上推动 AI 机械手臂手术设备有其目标，基本上是以抢进市场里小型且低价位医疗手术设备制造之缺口，伺机与美国大厂合作或是被并购。

※ 内容授权自《从AI到智慧医疗》，作者为蒋荣先，商周出版。

姓名：李逊职务：主任医师职称：教授，硕士研究生导师详细介绍：1995年广州市优秀专家，1998年广东省有突出贡献专家，2006年卫生部有突出贡献中青年专家，享受国务院政府特殊津贴。现任广州医学院港湾医院院长、微创外科主任，广州医学院第一附属医院海印分院微创外科中心资深专家。中华医学会泌尿外科学分会全国委员、腔内泌尿外科学组委员，广东省医学会泌尿外科学会副主任委员，广东省医学会微创外科学会常委、泌尿外科学组组长，广州市医学会常务理事、泌尿外科学会副主任委员。担任《中华泌尿外科杂志》、《中国微创外科杂志》、《临床泌尿外科杂志》、《现代泌尿外科杂志》、《现代临床医学生物工程学杂志》、《广州医学院学报》编委。 2006年获国内腔内泌尿外科最高荣誉奖“金膀胱镜奖”、第十六届 “恩德思”国际内镜奖—泌尿外科奖，多次获国家、省部级、市级科技成果奖。主编《微创泌尿外科学》，参与编写《泌尿外科手术学》、《泌尿系结石》、《泌尿外科内镜诊断治疗学》、《泌尿外科手术并发症预防和处理》、《泌尿外科医师进修必读》、《中国泌尿系结石诊治指南》等书，近五年共发表学术论文80余篇，其中核心期刊发表论文20余篇。2012年入选《中国名医百强榜》名单。主要论文著作情况：自1984年起从事泌尿外科及腔内、微创新技术的临床研究及推广应用，包括经皮肾镜取石、输尿管镜取石、前列腺微创手术（TURP、针刺消融术、钬激光前列腺剜除、绿激光前列腺汽化）及泌尿腹腔镜手术等。在大量临床实践中，总结了一套较为完善的尿石症现代治疗方法；完成经皮肾镜、输尿管镜手术1万多例，是中国乃至世界上完成该项手术最多的医生之一；发展和完善了“中国微创经皮肾取石术”，手术效果达到国内领先、国际先进水平。2006年代表我国泌尿学界出席了美国泌尿外科年会以及世界腔内泌尿外科会议，并在大会上介绍了其创立的中国微创经皮肾取石术的方法及经验，得到国内外学者的充分肯定，使该技术在国内外得到逐步推广，被境外同行命名为“Chinese MPCNL”，提高了我国泌尿外科的国际影响力,同时“微创经皮肾取石术治疗上尿路结石的临床与实验研究”荣获2006年中华医学科技奖二等奖。在国内最早开展腔内技术治疗输尿管狭窄及闭锁，治疗的病例达700余例次，总有效率80%以上。主持和参与研发“李逊微创肾镜”（德国RICHARD WOLF公司生产）、“MCC腔道窥镜灌注泵”、“APL气压弹道碎石器”和“可X光显影硅橡胶单腔引流管”等系列手术器械设备，为微创技术的发展和推广应用做出了重大贡献。主要获奖情况：积极推广腔内泌尿外科技术的临床应用。其主持的国家级继续教育项目《窥镜外科技术治疗泌尿外科疾病》以及2004年与北京大学泌尿外科医师培训学院合作成立了北京大学泌尿外科医师培训学院腔镜培训中心，主要负责全国泌尿外科医师腔镜培训工作，十多年来已先后已举办十六期全国腔内泌尿外科技术研修班，培养专科医师超过1400余人次，学员遍及全国及港、澳、台、尼泊尔等地区，极大地推动了我国腔内泌尿外科技术的普及和发展，使该项技术在国内大部分地区得到广泛应用，从而使尿结石病人可免受开刀手术之苦，改变了中国上尿路结石的治疗现状。 职务：主任医师详细介绍：毕业于广东医学院医疗系。现任广州医学院港湾医院院长助理，大外科主任。广东省老教授协会医学专家委员会泌尿外科研究会委员，美国泌尿外科学会（AUA）会员。从事外科临床、科研及教学工作20多年，对外科疾病的诊治有丰富的经验，专长于泌尿系统和男性疾病的诊断、治疗及手术，擅长运用电视内窥镜下手术微创治疗泌尿系统结石、狭窄畸形及肿瘤、前列腺增生症。近几年来，发表国家级省级医学论文10多篇，获市级科技进步奖三项。 职务：副主任医师详细介绍：泌尿外科主任，副主任医师，腔内泌尿外科学硕士，广东省医学会泌尿外科学分会结石学组委员兼秘书，广州市医学会泌尿外科学会委员。1994年毕业于江西医学院，2004年广州医学院外科学硕士毕业。长期从事泌尿外科临床工作，熟练掌握泌尿外科各种常见病及疑难病的诊治，尤其在微创技术治疗尿石症、泌尿系狭窄及前列腺疾病方面有较丰富的临床经验，独立完成微创经皮肾取石术、输尿管镜技术两千余例次，并积累了大量的临床病例随访资料，主持和参与省级以上科研课题3项，在国内外专业期刊发表论文10余篇。 职务：副主任医师详细介绍：毕业于哈尔滨医科大学医学系，从事外科临床工作20余年，曾在北京友谊医院和广东省人民医院进修。积累了丰富的临床经验，尤其擅长治疗前列腺增生，复杂尿路结石，泌尿系肿瘤，男科疾病，发表论文10篇。