文丨何銳 教授
“如果每一件工具被安排好甚或是自然而然地做那些適合于它們的工作，能夠預(yù)判其他人的想法……那么就沒必要再有師徒或主奴了”。
——亞里士多德
“機器人是具有類似于人或其他生物某些器官（肢體、感官等） 功能動作的機械產(chǎn)品”。
——國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）
“機器人”一詞最早于1921年出現(xiàn)在捷克作家Karel作品中，用來形容虛構(gòu)的機器人角色。
20世紀(jì)80年代中期，醫(yī)療機器人誕生。1985年，工業(yè)機器人PUMA 560 ，一款多個方向上旋轉(zhuǎn)和彎曲的機器人手臂，輔助醫(yī)生進(jìn)行神經(jīng)外科活檢手術(shù)，用以固定患者頭部保持正確的位置，也開啟了歷史上第一次機器人手術(shù)。
20世紀(jì)90年代初期，機器人開始被應(yīng)用于骨科領(lǐng)域，被改造為精確定位手術(shù)工具或引導(dǎo)切割的工具。1992年，第一臺真正的醫(yī)療機器人—Robodoc于美國問世，完成世界首例Robot THA。
20世紀(jì)90年代中后期，涌現(xiàn)出大量的微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)，從早期基于工業(yè)化的機器人逐漸發(fā)展為專用的手術(shù)機器人，更加專注于遙控操作，遠(yuǎn)程控制機器人把持手術(shù)工具，使其按照指定通道進(jìn)入患者體內(nèi)。
1997 年，手術(shù)機器人之父王友侖成功研制出 “伊索”， 一種可以聲控的“扶鏡”機械手；1998年，“伊索”通過一系列升級改造，進(jìn)化成了“宙斯”，2001年實現(xiàn)世界第一次遠(yuǎn)程機器人手術(shù)，成功引入“全球外科技術(shù)共享”理念。
1999年，Intuitive Surgical公司推出達(dá)芬奇手術(shù)機器人，目前已推出四代產(chǎn)品。達(dá)芬奇壟斷手術(shù)機器人市場20余年，是迄今為止最成功、應(yīng)用最廣泛的軟組織醫(yī)療機器人。
從1992年誕生首臺骨科機器人以來，到2000年后全球手術(shù)機器人進(jìn)入高速發(fā)展期；從全自動機器人發(fā)展為半自動機器人，再到對未來全自動機器人抱持憧憬。
2022年，我們已站在新的歷史起點。
1
機械美學(xué)：基于工業(yè)機器人平臺的探索
從世界上第一家工業(yè)機器人制造商尤尼梅公司制造的Puma 560，到第一臺骨科機器人亦是第一臺真正的醫(yī)療機器人——ROBODOC，早期的醫(yī)療外科機器人系統(tǒng)大多脫胎于工業(yè)機器人平臺。
骨科機器人的首次應(yīng)用是在關(guān)節(jié)骨科領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代，每年75萬例髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中有15%的患者因為假體松動等原因需要進(jìn)行二次置換，這給醫(yī)生帶來很大工作量，也造成患者更多的術(shù)后并發(fā)癥。
因骨質(zhì)和金屬材料一樣具備剛性，從工程角度很容易將計算機輔助設(shè)計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)技術(shù)遷移到骨科手術(shù)機器人中。1992年美國 Integrated Surgical Systems 公司推出了一款主動型骨科手術(shù)機器人——Robodoc。
該機器人外科醫(yī)生比人類醫(yī)生可以更精確地對股骨進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換，為全球首個主動型骨科手術(shù)機器人，同時揭開了機器人輔助人工關(guān)節(jié)置換的新篇章。鑒于它對手術(shù)精度的有效提高，也被稱為第一臺真正的手術(shù)機器人。
▲由于為傳統(tǒng)骨科手術(shù)帶來科技的創(chuàng)新，2016年11月，史密森尼美國國家歷史博物館將1989年ROBODOC原型收藏紀(jì)念。
在Robodoc機器人系統(tǒng)使用之前，醫(yī)生用鑿子、錘子在骨頭里鑿出一個洞，然后用骨水泥來修補這個洞，并補充置換關(guān)節(jié)之間的任何不規(guī)則的地方。
Robodoc機器人系統(tǒng)基于患者CT數(shù)據(jù)的術(shù)前規(guī)劃，確定股骨假體的大小和型號，連接機器人本體設(shè)備，隨后機器人便可自行進(jìn)行切割磨削工作，術(shù)中無需醫(yī)師進(jìn)行操作。外科醫(yī)生只是做很少的信息輸入工作，更多的作用是按下緊急關(guān)閉按鈕。
該機器人優(yōu)勢在于可以通過操作器末端的壓力傳感器對骨骼的切割進(jìn)行校準(zhǔn)，并通過視覺系統(tǒng)保證骨切割的安全性，從而提高手術(shù)精確性。
Robodoc是一款脫胎于工業(yè)機器人平臺的主動式機器人，功能僅限于處理股骨一側(cè)。作為第一個主動型手術(shù)機器人，起初為了提高全髖置換手術(shù)過程中骨水泥永久固著的效果而研發(fā)，Robodoc 仍存在諸多缺陷，如手術(shù)時間過長、坐骨神經(jīng)損傷風(fēng)險較高、系統(tǒng)穩(wěn)定性不佳等。
▲TSolution One機器人輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)，在Robodoc基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)發(fā)展而來。
1997年，德國OrthoMaquet研制出了另一款機器人系統(tǒng)——CASPAR，它在設(shè)計和應(yīng)用上與 Robodoc 系統(tǒng)類似，為完全主動式的人工關(guān)節(jié)置換機器人，可以在人工全膝和全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中輔助進(jìn)行骨面處理，開展關(guān)節(jié)置換和交叉韌帶重建手術(shù)。由于早期出現(xiàn)的臀中肌損傷、注冊釘孔部位骨折等較高的并發(fā)癥,后因銷售以及安全事故于2004年破產(chǎn)清算。
▲CASPAR與 Robodoc 系統(tǒng)類似，為主動式機器人。
基于工業(yè)機器人構(gòu)型的骨科手術(shù)機器人早期主要基于CAD／CAM原理對關(guān)節(jié)置換的病骨進(jìn)行切除操作，盡管手術(shù)精度高于常規(guī)手術(shù)，但CASPAR在市場的退出以及Robodoc機器人在市場的幾經(jīng)周折都表明，其具備工業(yè)機器人特征的自主作業(yè)模式尚未得到醫(yī)師的廣泛認(rèn)可。
但Robodoc代表了醫(yī)學(xué)中的一種學(xué)術(shù)流派，認(rèn)為機器人可以且應(yīng)該在人類監(jiān)督下執(zhí)行更多的外科手術(shù)程序，但不必直接受到人為的控制。這一學(xué)派正引領(lǐng)著外科手術(shù)更多的依賴人工智能的發(fā)展趨勢。
2
走向成熟：回歸現(xiàn)實“觸覺”
20世紀(jì)90年代中期，醫(yī)學(xué)界中占主導(dǎo)的聲音，仍然是保持人類外科醫(yī)生的完全性控制，輔助性手術(shù)機器人比自動手術(shù)外科機器人使用得以更廣泛地發(fā)展。
此時，機器人與外科醫(yī)生之間的交互方法也取得了新的進(jìn)展，讓機器人和人同時控制手術(shù)工具的把持和移動成為可能。手術(shù)導(dǎo)航性質(zhì)的機器人一定程度上解決了希望能完全控制手術(shù)的外科醫(yī)生的擔(dān)憂。
▲“主動約束”概念下的Acrobot 機器人系統(tǒng)
為保障手術(shù)過程中機器人的安全性和醫(yī)師對機器人的主動控制能力，英國帝國理工學(xué)院Davies等于1994年提出了“主動約束”概念，并于1997 年研發(fā)出Acrobot 機器人系統(tǒng)，基于力反饋的主動限制式機器人，能夠根據(jù)機器人末端執(zhí)行器的所處區(qū)域，來調(diào)控機器人末端的運動狀態(tài)。
Acrobot主要應(yīng)用于全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)和微創(chuàng)膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)，該機器人定位為手術(shù)助手，既在醫(yī)師手動控制下按照規(guī)劃進(jìn)行作業(yè)，又能限制醫(yī)師手的抖動以及機器人運動的范圍，形成“主動約束”或者“Hands—On”技術(shù)的操控機制，達(dá)到人機共享方式作業(yè)。
由于主動型機器人的諸多缺點，使得像ACROBOT這種半主動型機器人得以發(fā)展，外科醫(yī)生可以在術(shù)前決定好的手術(shù)范圍內(nèi)自由操縱機械臂，ACROBOT技術(shù)為后來開發(fā)的MAKO系統(tǒng)提供了思路。
成功采用“Hands—On”技術(shù)的機器人還有MAKO RIO機器人，被稱作“觸覺交互”模式的機器人。
MAKO成立于2004年，其前身是 1997 年成立的 Z-KAT，一家源自麻省理工學(xué)院的機械臂研發(fā)公司。創(chuàng)始人們嘗試將WAM全臂機械手應(yīng)用于手術(shù)中，改裝成外科手術(shù)的試驗臺，這就是MAKO的原型。
MAKO醫(yī)療公司開發(fā)的RIO機器人，主要面向膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)，2013 年被美國醫(yī)療器械制造商 Stryker 收購，并更名為MAKO plasty。
▲強調(diào)“手感”的MAKO RIO機器人系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用基于骨性解剖標(biāo)志點的配準(zhǔn)方法完成三維配準(zhǔn)，用光電跟蹤器完成工具和患者的實時位置追蹤。RIO 系統(tǒng)并不主動完成骨切削，需要術(shù)者和機械臂配合，共同操作手術(shù)器械進(jìn)行手術(shù)操作，在醫(yī)生把持下通過力反饋的方式輔助醫(yī)生完成準(zhǔn)確的骨骼切削操作，若偏離手術(shù)路徑以直接力覺反饋的方式來提示醫(yī)生。
與ROBODOC不同，MAKO屬于半主動式的封閉系統(tǒng)，強調(diào)“手感”在關(guān)節(jié)置換手術(shù)中的重要作用，回歸到醫(yī)生現(xiàn)實“觸覺”。
▲輕量化手持關(guān)節(jié)置換手術(shù)工具NAVIO，需要醫(yī)生更多的參與。
此后，各國進(jìn)一步研究，并相繼開發(fā)出各自的骨科手術(shù)機器人，如更加輕量化的手術(shù)工具OMNI iBlock機器人、手持式的膝關(guān)節(jié)置換機器人NAVIO、機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)ROSA Knee等，仍需在外科醫(yī)生直接或間接控制下進(jìn)行操作，且僅參與外科手術(shù)過程中的某一部分。
手術(shù)機器人助手的目的更多地演變?yōu)榉€(wěn)住手術(shù)室里外科醫(yī)生的雙手，賦予手術(shù)機器人“觸覺”功能，讓醫(yī)師在手術(shù)中對機器人恢復(fù)“主從地位”。
3
烽煙四起：通用智能機器人進(jìn)化之路
目前，手術(shù)機器人國內(nèi)外市場基本形成腔鏡機器人為主、骨科機器人為輔，其他領(lǐng)域手術(shù)機器人多元發(fā)展的格局。骨科手術(shù)機器人又分為關(guān)節(jié)骨科、創(chuàng)傷骨科以及脊柱外科手術(shù)機器人三種。
全球骨科手術(shù)機器人行業(yè)中的主要企業(yè)，如美敦力、史賽克、捷邁邦美、施樂輝等大型醫(yī)療器械公司正在加速占領(lǐng)醫(yī)療器械市場，競爭進(jìn)一步激烈，上演群雄爭霸。
2013年，史賽克以12億美元價格收購Mako Surgical及其全膝關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)單髁置換手術(shù)機器人系統(tǒng) RI0；
2016年，施樂輝收購骨科機器人公司 BlueBelt，2017 年宣布推出 NAVIO 手持式機器人輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)應(yīng)用；
2016年，捷邁邦美通過以 1.32 億美元收購法國機器人輔助外科公司 Medtech，獲得ROSA 平臺；
2017年，強生開始就和 Verily Life 合作開展外科手術(shù)機器人項目，并于 2019 年收購骨關(guān)節(jié)機器人公司 Orthotaxy；
2018年，美敦力在以16.4億美元收購了Mazor Robotics公司，獲得了該公司的機器人輔助脊柱手術(shù)平臺Mazor。
經(jīng)過幾十年不斷改進(jìn)、創(chuàng)新和發(fā)展，手術(shù)機器人已經(jīng)展現(xiàn)出其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，不僅引起了手術(shù)方式的革命，還推動了精準(zhǔn)微創(chuàng)醫(yī)療的發(fā)展。
傳統(tǒng)骨科手術(shù)方式易受到患者體位定位、手術(shù)器械控制精準(zhǔn)度及醫(yī)生個人經(jīng)驗和疲勞程度等因素的影響，難以精準(zhǔn)完成手術(shù)規(guī)劃，降低了手術(shù)成功率及可靠性。
骨科手術(shù)機器人與AI結(jié)合，使微創(chuàng)化、智能安全化、精準(zhǔn)化與個性化疾病治療成為可能，有效彌補了傳統(tǒng)骨科手術(shù)的不足。手術(shù)機器人以人工智能彌補經(jīng)驗的差距，以導(dǎo)航彌補視覺的不足，以機械彌補技巧的不足，以自動化技術(shù)克服人體極限。
自2016年始，中國工業(yè)機器人累計安裝量位列世界第一，是迄今為止全球最大的工業(yè)機器人市場。而在醫(yī)療機器人領(lǐng)域，更可謂方興未艾，前景無限，智能外科的邊界和高度不斷拓寬，醫(yī)療通用性及可及性持續(xù)提升。
▲第一款國產(chǎn)關(guān)節(jié)置換手術(shù)機器人，配備全球首創(chuàng)自動截骨控制方式。
2022年1月25日，我國第一款國產(chǎn)關(guān)節(jié)手術(shù)機器人獲批上市，在全球首次實現(xiàn)機械臂和刀具的一體化和集成化設(shè)計，自動控制截骨方式。
從工業(yè)的機械設(shè)計到人性化因素的融入，再到指數(shù)級增長技術(shù)的集成，機器人越來越“聰明”，可以與人類醫(yī)生協(xié)同工作，但又獨立于人類醫(yī)生。
從1992年誕生首臺骨科機器人以來，到目前全球手術(shù)機器人行業(yè)井噴增長。
三十年間，手術(shù)機器人逐漸改變治療流程、簡化治療手段、優(yōu)化治療理念、擴(kuò)展治療邊界，即使目前依然需要醫(yī)生的大腦，但關(guān)節(jié)置換手術(shù)發(fā)展趨勢必將朝著微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化、效果一致化穩(wěn)步前進(jìn)。
參考資料
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