周末科普 | 机器人主要分支（二）：医疗机器人

2018 年 7 月 22 日 德先生

1980年代末期，计算机辅助外科手术和机器人辅助外科手术开始被提出。世界上第一台医疗机器人诞生于1985年，是一台PUMA560，用于放置探针用于脑部活体组织检查。该手术由CT影像指导。然而，生产PUMA560的公司却不再允许PUMA机器人用于外科手术，因为工业机器人一直被设计用于从事远离人类的活动，因而被认为对于外科手术并不安全。尽管受到这些阻力，工业机器人还是最终被证明可以自动置位并且具有很高的精度，因而1988年，PUMA560又开始被重新应用于前列腺经尿道切除增生手术。

1980年代中期，NASA的一些虚拟现实领域的科学家开始对电子成像手术表现出浓厚的兴趣。一些机器人被开发出来用于改善腹腔镜外科手术。

美国陆军一些致力于外科手术机器人的医生和工程师们最终创立了医疗机器人公司，医疗机器人开始走向民用化。圣芭芭拉（Santa Barbara）的计算机运动公司（Computer Motion）利用军队提供的种子钱开发了自动内窥镜系统，以实现最佳定位（AESOP），这是一种由外科医生语音指令控制的机械手臂，用来操纵内窥镜相机。

如今，达芬奇外科手术机器人和宙斯系统是两个市场上主要的医疗手术机器人系统。达芬奇二者能力上是相似的，但是在机器人手术的方法上有所不同。这两个系统都是综合主从手术机器人，多臂远程操作控制台，视频辅助可视化和计算机增强。在达芬奇系统进化的网真机为NASA和美国陆军开发，主要有三部分：视觉车，拥有双光源和双相机、主控制台操作外科医生坐的地方，和一个可移动的车两个胳膊和相机臂安装工具。相机臂包含双摄像头，生成的图像是三维的。主控制台由图像处理计算机组成，该计算机生成具有景深的真实三维图像；外科医生查看图像的视图端口；脚踏板来控制电烙术，相机焦点，仪表/相机手臂魔爪，在病人一侧驱动仆人机械手臂。年代的一面。这些仪器由电缆驱动，可提供7 个自由度。该系统将其三维图像显示在外科医生的手上，从而给外科医生一种错觉，即器械的尖端是控制手柄的延伸，从而给人留下手术部位的印象。宙斯系统由一个外科控制控制台和三个桌上安装的机械手臂组成。左右机器人手臂复制外科医生的手臂第三只手臂是AESOP语音控制的机器人内窥镜。在宙斯系统中，外科医生舒适地坐直，与视频监视器和仪器手柄放置在符合人体工程学的位置，以最大限度地提高灵活性，并允许完整的可视化或环境。该系统采用了直轴内镜仪器，与传统的内窥镜仪器和连接仪器相连，并具有清晰的末端执行器和7个自由度。

医疗机器人包括外科手术机器人和康复助力机器人。外科手术机器人顾名思义是一种辅助外科医生进行高精度微创手术的机器人，主要分为4类，即监控型、遥控型、协作型和放射治疗型。监控型是由外科医生对病人制定治疗方案，机器人解析该方案形成手术程序，最终在医生的监控下直接完成手术，最著名的原型是由综合外科系统开发的ROBODOC系统，该系统在整形外科手术中常用。

协作型是指人类外科医生做大量的工作，实际上是用手操作手术工具，而机器人在需要的时候协助执行外科手术。该系统监测外科医生的活动，通过一种叫做主动约束的技术为外科医生的运动提供稳定性和支持。在这项技术中，外科医生对机器人进行编程，使其识别出外科领域中禁止的、边界的、封闭的和安全的区域。安全区域是手术的重点。较近的区域边界容易破坏软组织，边界是软组织开始的地方。当外科医生靠近这些危险区域时，机器人会向后推着外科医生，或者在某些情况下，当到达禁区时，机器人系统会锁起来以防止进一步的伤害。

遥控型是指医生通过遥控装置，一般为手柄，控制机器人完成手术，实际上，机器人成了外科医生的延伸。该系统由手术器械和一个独立的观察和控制控制台组成。外科医生在一个三维的观察屏幕上观察外科领域，并通过控制台上的手持控制装置操作机器人手臂。另一名外科医生在手术过程中根据需要更换机械手臂上的工具。在身体上做小切口，然后插入工具。一旦这一步完成，外科医生就可以进行手术。这项技术使外科医生可以通过使用机器人手臂进行更广泛的运动，从而更快、更有控制和更精确的运动，从而提供一种手段来进行微创外科手术。最常见的一种是达芬奇机器人手术系统，它通过在像心脏这样难以触及的地方提供立体视觉效果，增强手腕的灵活性和对微小器械的控制，从而增强了手术效果。放射治疗型机器人一般用于放射治疗肿瘤。这些系统利用机器人技术控制高度聚焦的电离辐射束到达体内的精确位置。医学影像学首先定位肿瘤并绘制待治疗区域的地图。随后，医生将一系列命令输入系统，指导其如何进行治疗。然后将病人登记到系统中，以便对身体进行适当的定位，然后开始治疗。然后机器人按照指令精确地向肿瘤输送一系列的剂量，降低了周围组织受损的风险。

康复助力机器人针对手术后或中风、神经系统损伤的病人在长时间治疗过程中肌肉力量薄弱、神经重建恢复的过程，辅助患者完成一系列动作进行康复的过程。康复机器人首先根据患者需要进行康复运动轨迹规划，基于受力、肢体速度、肌电信号进行反馈，采用比例反馈、阻抗控制、自适应控制等方法进行控制。

针对手臂康复治疗机器人包括美国麻省理工学院研发的MIT-Manus，加利福尼亚大学研发的ARM Guide和T-WREX。下肢康复机器人包括Hocoma公司研制的Lokomat、LokoHelp、ReoAmbulator、ARTHuR、ALEX、LOPES。该机器人由支撑部分和步态矫正器组成，可以用于恢复患者的行走功能。对于癫痫患者的康复机器人主要通过辅助肢体运动达到锻炼肌肉、提高运动协同能力、保护关节灵活性的作用，主要包括Swortec SA公司开发的康复机器人MotionMaker。该机器人可以依据实时传感调整康复训练动作，并辅以电刺激以满足治疗需要。用于关节，包括足踝、膝盖康复的机器人包括Rutgers Ankle、IIT-HPARR、AKROD、Leg-Robot、NUVABAT、PGO、PAGO、Anklebot、MIT-AAFO等。

机器外骨骼在近年发展迅猛。该类型机器人主要针对老年人或残障人士，为其日常行动提供辅助运动的动力。此外，机器外骨骼还在军方获得应用，以减轻士兵负重行进的负担。加州大学伯克利分校研制的穿戴式下肢谷歌负载机器人BLEEX可以使士兵在负重70公斤时以1.3米/秒的速度行进。Cyberdyne公司和筑波大学研制的HAL外骨骼系统可以辅助老人或残疾人实现上下楼梯、搬物品等动作。其他外骨骼机器人包括麻省理工研制的Leg exoskeleton，Yobotics公司研制的Roboknee等。