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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(méi)必要再有師徒或主奴了”。
——亞里士多德
“機(jī)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(dòng)作的機(jī)械產(chǎn)品”。
——國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）
“機(jī)器人”一詞最早于1921年出現(xiàn)在捷克作家Karel作品中，用來(lái)形容虛構(gòu)的機(jī)器人角色。
20世紀(jì)80年代中期，醫(yī)療機(jī)器人誕生。1985年，工業(yè)機(jī)器人PUMA 560 ，一款多個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)和彎曲的機(jī)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(kāi)啟了歷史上第一次機(jī)器人手術(shù)。
20世紀(jì)90年代初期，機(jī)器人開(kāi)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(tái)真正的醫(yī)療機(jī)器人—Robodoc于美國(guó)問(wèn)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(jī)器人系統(tǒng)，從早期基于工業(yè)化的機(jī)器人逐漸發(fā)展為專用的手術(shù)機(jī)器人，更加專注于遙控操作，遠(yuǎn)程控制機(jī)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(jī)器人之父王友侖成功研制出 “伊索”， 一種可以聲控的“扶鏡”機(jī)械手；1998年，“伊索”通過(guò)一系列升級(jí)改造，進(jìn)化成了“宙斯”，2001年實(shí)現(xiàn)世界第一次遠(yuǎn)程機(jī)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(jī)器人，目前已推出四代產(chǎn)品。達(dá)芬奇壟斷手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)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(jī)器人。
從1992年誕生首臺(tái)骨科機(jī)器人以來(lái)，到2000年后全球手術(shù)機(jī)器人進(jìn)入高速發(fā)展期；從全自動(dòng)機(jī)器人發(fā)展為半自動(dòng)機(jī)器人，再到對(duì)未來(lái)全自動(dòng)機(jī)器人抱持憧憬。
2022年，我們已站在新的歷史起點(diǎn)。
1
機(jī)械美學(xué)：基于工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)的探索
從世界上第一家工業(yè)機(jī)器人制造商尤尼梅公司制造的Puma 560，到第一臺(tái)骨科機(jī)器人亦是第一臺(tái)真正的醫(yī)療機(jī)器人——ROBODOC，早期的醫(yī)療外科機(jī)器人系統(tǒng)大多脫胎于工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)。
骨科機(jī)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(wàn)例髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中有15%的患者因?yàn)榧袤w松動(dòng)等原因需要進(jìn)行二次置換，這給醫(yī)生帶來(lái)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)技術(shù)遷移到骨科手術(shù)機(jī)器人中。1992年美國(guó) Integrated Surgical Systems 公司推出了一款主動(dòng)型骨科手術(shù)機(jī)器人——Robodoc。
該機(jī)器人外科醫(yī)生比人類醫(yī)生可以更精確地對(duì)股骨進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換，為全球首個(gè)主動(dòng)型骨科手術(shù)機(jī)器人，同時(shí)揭開(kāi)了機(jī)器人輔助人工關(guān)節(jié)置換的新篇章。鑒于它對(duì)手術(shù)精度的有效提高，也被稱為第一臺(tái)真正的手術(shù)機(jī)器人。
▲由于為傳統(tǒng)骨科手術(shù)帶來(lái)科技的創(chuàng)新，2016年11月，史密森尼美國(guó)國(guó)家歷史博物館將1989年ROBODOC原型收藏紀(jì)念。
在Robodoc機(jī)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(gè)洞，然后用骨水泥來(lái)修補(bǔ)這個(gè)洞，并補(bǔ)充置換關(guān)節(jié)之間的任何不規(guī)則的地方。
Robodoc機(jī)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(hào)，連接機(jī)器人本體設(shè)備，隨后機(jī)器人便可自行進(jìn)行切割磨削工作，術(shù)中無(wú)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(jī)器人優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)操作器末端的壓力傳感器對(duì)骨骼的切割進(jìn)行校準(zhǔn)，并通過(guò)視覺(jué)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(jī)器人平臺(tái)的主動(dòng)式機(jī)器人，功能僅限于處理股骨一側(cè)。作為第一個(gè)主動(dòng)型手術(shù)機(jī)器人，起初為了提高全髖置換手術(shù)過(guò)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)、坐骨神經(jīng)損傷風(fēng)險(xiǎn)較高、系統(tǒng)穩(wěn)定性不佳等。
▲TSolution One機(jī)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(lái)。
1997年，德國(guó)OrthoMaquet研制出了另一款機(jī)器人系統(tǒng)——CASPAR，它在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上與 Robodoc 系統(tǒng)類似，為完全主動(dòng)式的人工關(guān)節(jié)置換機(jī)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(kāi)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(cè)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(dòng)式機(jī)器人。
基于工業(yè)機(jī)器人構(gòu)型的骨科手術(shù)機(jī)器人早期主要基于CAD／CAM原理對(duì)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(chǎng)的退出以及Robodoc機(jī)器人在市場(chǎng)的幾經(jīng)周折都表明，其具備工業(yè)機(jī)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(jī)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(shì)。
2
走向成熟：回歸現(xiàn)實(shí)“觸覺(jué)”
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(jī)器人比自動(dòng)手術(shù)外科機(jī)器人使用得以更廣泛地發(fā)展。
此時(shí)，機(jī)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(jī)器人和人同時(shí)控制手術(shù)工具的把持和移動(dòng)成為可能。手術(shù)導(dǎo)航性質(zhì)的機(jī)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(dòng)約束”概念下的Acrobot 機(jī)器人系統(tǒng)
為保障手術(shù)過(guò)程中機(jī)器人的安全性和醫(yī)師對(duì)機(jī)器人的主動(dòng)控制能力，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院Davies等于1994年提出了“主動(dòng)約束”概念，并于1997 年研發(fā)出Acrobot 機(jī)器人系統(tǒng)，基于力反饋的主動(dòng)限制式機(jī)器人，能夠根據(jù)機(jī)器人末端執(zhí)行器的所處區(qū)域，來(lái)調(diào)控機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)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(jī)器人定位為手術(shù)助手，既在醫(yī)師手動(dòng)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(dòng)以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的范圍，形成“主動(dòng)約束”或者“Hands—On”技術(shù)的操控機(jī)制，達(dá)到人機(jī)共享方式作業(yè)。
由于主動(dòng)型機(jī)器人的諸多缺點(diǎn)，使得像ACROBOT這種半主動(dòng)型機(jī)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(jī)械臂，ACROBOT技術(shù)為后來(lái)開(kāi)發(fā)的MAKO系統(tǒng)提供了思路。
成功采用“Hands—On”技術(shù)的機(jī)器人還有MAKO RIO機(jī)器人，被稱作“觸覺(jué)交互”模式的機(jī)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(jī)械臂研發(fā)公司。創(chuàng)始人們嘗試將WAM全臂機(jī)械手應(yīng)用于手術(shù)中，改裝成外科手術(shù)的試驗(yàn)臺(tái)，這就是MAKO的原型。
MAKO醫(yī)療公司開(kāi)發(fā)的RIO機(jī)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(guó)醫(yī)療器械制造商 Stryker 收購(gòu)，并更名為MAKO plasty。
▲強(qiáng)調(diào)“手感”的MAKO RIO機(jī)器人系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用基于骨性解剖標(biāo)志點(diǎn)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(shí)時(shí)位置追蹤。RIO 系統(tǒng)并不主動(dòng)完成骨切削，需要術(shù)者和機(jī)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(guò)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(jué)反饋的方式來(lái)提示醫(yī)生。
與ROBODOC不同，MAKO屬于半主動(dòng)式的封閉系統(tǒng)，強(qiáng)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(shí)“觸覺(jué)”。
▲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(guó)進(jìn)一步研究，并相繼開(kāi)發(fā)出各自的骨科手術(shù)機(jī)器人，如更加輕量化的手術(shù)工具OMNI iBlock機(jī)器人、手持式的膝關(guān)節(jié)置換機(jī)器人NAVIO、機(jī)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(guò)程中的某一部分。
手術(shù)機(jī)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(jī)器人“觸覺(jué)”功能，讓醫(yī)師在手術(shù)中對(duì)機(jī)器人恢復(fù)“主從地位”。
3
烽煙四起：通用智能機(jī)器人進(jìn)化之路
目前，手術(shù)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)基本形成腔鏡機(jī)器人為主、骨科機(jī)器人為輔，其他領(lǐng)域手術(shù)機(jī)器人多元發(fā)展的格局。骨科手術(shù)機(jī)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(jī)器人三種。
全球骨科手術(shù)機(jī)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(lè)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(chǎng)，競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步激烈，上演群雄爭(zhēng)霸。
2013年，史賽克以12億美元價(jià)格收購(gòu)Mako Surgical及其全膝關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)單髁置換手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng) RI0；
2016年，施樂(lè)輝收購(gòu)骨科機(jī)器人公司 BlueBelt，2017 年宣布推出 NAVIO 手持式機(jī)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(guò)以 1.32 億美元收購(gòu)法國(guó)機(jī)器人輔助外科公司 Medtech，獲得ROSA 平臺(tái)；
2017年，強(qiáng)生開(kāi)始就和 Verily Life 合作開(kāi)展外科手術(shù)機(jī)器人項(xiàng)目，并于 2019 年收購(gòu)骨關(guān)節(jié)機(jī)器人公司 Orthotaxy；
2018年，美敦力在以16.4億美元收購(gòu)了Mazor Robotics公司，獲得了該公司的機(jī)器人輔助脊柱手術(shù)平臺(tái)Mazor。
經(jīng)過(guò)幾十年不斷改進(jìn)、創(chuàng)新和發(fā)展，手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)展現(xiàn)出其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不僅引起了手術(shù)方式的革命，還推動(dòng)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(gè)人經(jīng)驗(yàn)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(jī)器人與AI結(jié)合，使微創(chuàng)化、智能安全化、精準(zhǔn)化與個(gè)性化疾病治療成為可能，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)骨科手術(shù)的不足。手術(shù)機(jī)器人以人工智能彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)的差距，以導(dǎo)航彌補(bǔ)視覺(jué)的不足，以機(jī)械彌補(bǔ)技巧的不足，以自動(dòng)化技術(shù)克服人體極限。
自2016年始，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人累計(jì)安裝量位列世界第一，是迄今為止全球最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。而在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域，更可謂方興未艾，前景無(wú)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(guó)產(chǎn)關(guān)節(jié)置換手術(shù)機(jī)器人，配備全球首創(chuàng)自動(dòng)截骨控制方式。
2022年1月25日，我國(guó)第一款國(guó)產(chǎn)關(guān)節(jié)手術(shù)機(jī)器人獲批上市，在全球首次實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂和刀具的一體化和集成化設(shè)計(jì)，自動(dòng)控制截骨方式。
從工業(yè)的機(jī)械設(shè)計(jì)到人性化因素的融入，再到指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)技術(shù)的集成，機(jī)器人越來(lái)越“聰明”，可以與人類醫(yī)生協(xié)同工作，但又獨(dú)立于人類醫(yī)生。
從1992年誕生首臺(tái)骨科機(jī)器人以來(lái)，到目前全球手術(shù)機(jī)器人行業(yè)井噴增長(zhǎng)。
三十年間，手術(shù)機(jī)器人逐漸改變治療流程、簡(jiǎn)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(shì)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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