机器人辅助内窥镜操作系统的研究.pdf

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1、栏日主持：刘远江口付宜利潘博王树国哈尔滨工业大学机器人研究所 摘要 介绍了机器人辅助内窥镜操作系统的构成及国内外的研究现状，讨论厂其进一步发展的趋势，并指出这一领域中值得进一步研究的一些问题和可能的发展方向。关键词机器人辅助内窥镜操作系统；内窥镜技术；开放式手术；主从控制；远程外科0 引言内窥镜技术是利用人体天生管腔或手术小孔来导入医疗器械，透过插入人体内的专用摄像头来帮助主治医生操作医疗器械以处理解剖组织以及病灶的技术(如图1 所示)。同传统的开放性手术相比较，其具有手术创伤小，减轻病人痛苦，加快病人术后恢复，降低手术费用等优点。因此，受到了医生和患者的普遍欢迎，有着广阔的应用前景。随着机器

2、人技术，信息技术，生物技术，计算机视觉等技术的高速发展，出现了集众多学科为一体的新型交叉研究领域一机器人辅助内窥镜技术(如图2 所示)。机器人辅助内窥镜技术的出现，弥补了传统内窥镜技术的缺点，是外科手术领域的一次技术变革。近年来，机器人辅助内窥镜手术的优点为越来越多的人们所认知，引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注，研究工作蓬勃兴起。1 问置瞳述1 1 传统内窥镜技术的缺点图1 传统内窥镜技术e n t内窥镜技术是利用人体天生管腔或手术d,T L来导入医疗器械，由于切入口的限制，插入体内的手术器械以及内窥镜只能具有4 个自由度(如图3 所示)：两个绕着切入点的旋转，一个绕自身轴线的旋转

3、，以及一个插入运动。这样会给对内窥镜的操作带来如下的缺点：(1)内窥镜动作的倒置。由于切入点的存在，致使内窥镜在运动(除去插入和绕自身轴线旋转)时围绕着该点运动，形如我们所说的杠杆作用。这样，当操作助手的手部向左运动时，内窥镜的末梢就会由于杠杆的作用朝右方向运动。(2)缩放比例。内窥镜末端移动量使操作者 作者简介 付宜利(i966 一)，男(汉族)，T 学博士，哈尔滨工业大学机电学院教授，博士生导师，研究领域：机器人技术、数字化设计制造。万方数据髓。图2 机器人辅助内窥镜技术图3内蕊镜手术中内窥镜或手术器械的自由度的动作是放大还是缩小，取决于内窥镜插入体内的长度。当插入的长度小于临界值时，内窥

4、镜移动量就会缩小，反之就会放大。(3)触觉的丧失。较传统的开放式手术相比，采用内窥镜技术进行外科手术时，操作助手几乎很难感觉到肌肉组织的作用力。而由于杠杆作用以及内窥镜与切入点间摩擦力的存在，使对触觉的感知更加的困难。在传统的内窥镜手术中，主治医生负责操作插入病人体内的手术器械，操作助手负责把持内窥镜。在这种情形下就要求他们的动作有着很高栏目主持：刘远江的协调性。在实际的手术过程中会出现如下的三种不利的情况：。(1)当主治医生需要变换手术视野而通知操作助手的时候，由于是在语言上的交流，其助手很可能会产生误解而朝相反的方向移动内窥镜。(2)在外科手术中，内窥镜是由操作助手把持的，由于助手手腕力量

5、的影响，导致了内窥镜输出图像的不稳定。这种现象在长时间的手术中尤为突出。(3)当助手在不舒服位置(与主治医生发生干涉)的情形下操作内窥镜时就很容易产生疲劳(如图4 所示)，这就很容易擦伤患者组织，或者弄污内窥镜的末端镜头，而不得不将内窥镜取出，将其擦净。这些因素不但延长了手术的时间，而且还增加了病人在手术中的危险性。1 2 机器人辅助内窥镜操作系统的特征描述为了解决或者是减少上述的问题，我们将机器人技术应用于传统的内窥镜外科手术当中。机器人辅助内窥镜技术的主要目的是帮助主治医生按照自己的想法来操作内窥镜的移动。为了使机器人辅助内窥镜操作系统满足临床手术的需要，它必需满足以下几个要求：(1)它可

6、以以不同的模式安装来满足不同外科手术的需要，同时要满足临床功能的需要。(2)它是对传统内窥镜技术的改进。这意味着它可以解决或减少传统内窥镜技术的一些缺点。(3)便于在传统的外科手术室中集成，而不需要特殊的集成条件。(4)该系统有多种图4 主治医生同内窥镜操作助手发生干涉的情形 万方数据用途，能应用于多种手术或辅助治疗之中。(5)该系统必须安全可靠，以减少对病人或医生的危险系数。即使在操作错误时也应该满足安全性条件。2 机器人辅助内窥镜操作系统的构成根据国内外的资料介绍，完整的机器人辅助内窥镜操作系统应该由三个基本的模块构成：内窥镜操作机器人模块、遥操作控制模块、拓展功能模块。每个功能模块都具有

7、一些独特的功能，它们在理论上可以单独或组合起来完成一定的功能。内窥镜操作机器人模块响应医生的命令来完成对内窥镜的控制；遥操作控制模块允许医生在远距离协助、指导或监督本地医生完成手术；拓展功能模块提供和其他手术仪器或外部数据库的接口。2 1 内窥镜操作机器人模块该模块是系统的主要构成部分。主要由机械手系统子模块、本地控制及视觉图像处理子模块两部分构成。机械手系统子模块主要由机械手臂及内窥镜夹持器构成，机械手臂具有肩、肘、腕关节“万向角度”活动功能，不受病人体位变化的影响；根据其要完成的目标任务，该子模块应该具有如下一些特点：(1)定位独立于手术台，这样该系统就可以根据不同的手术而定位到相应的地点

8、。(2)当考虑到手术台和其他的医疗仪器时，该系统应具有多重的路径而到达理想的目标位置。(3)具有足够大的工作空间以至于不会干涉医生或其他的手术设备。(4)满足切入点的动力学限制。(5)当遇到特殊情况下，易于转变成为传统的开放型手术或是基于内窥镜技术的手术。(6)体积轻便，易于清洁和消毒。栏目主持：刘远江(7)在手术构成中应该尽量减少医生对该系统的注意力。(8)安全性好，即使在最不利的情况下也不会伤害到病人或医疗小组。本地控制及视觉图像处理子模块主要包括医生接口和机器人控制两部分。前一功能包括图像、图形处理，语音识别，以及其他的外设接口的合成。机器人控制器在接到内窥镜移动的指令后，迅速将其转换成

9、机器人各关节的驱动信号，以迅速对该指令做出相应。2 2 遥操作控制模块该模块允许两个医生间进行远距离协作(不同于基于in t e r n e t 的远程协作)，以至于专家在远离手术室条件下可以指导或监督本地的手术医生进行外科手术。为了简化这项功能，远程医生在接收到本地的手术信号时，他可以在该图像上进行标记或做出相应的注释。同时这些标记和注释的信号会被发送到本地手术室中，在本地的监视器中显示出来。远程医生同时也可以控制机器人来使内窥镜图像聚焦到其感兴趣的地方。除此以外，该子模块还具有电视会议功能，允许本地和远程医生进行实时的交流，以及时的解决手术中遇到的问题。遥操作控制模块包括两部分：本地通信部

10、分和远程工作站。前一部分凭借一通讯网络与内窥镜操作机器人模块进行通讯，同时经过另一个网络同远程工作站进行通讯。这也就意味着这一部分是连接内窥镜操作机器人模块和远程工作站的一个桥梁。远程工作站包含一个标准的PC 机，这样就可以允许其对内窥镜操作机器人进行控制。通过系统的鼠标或其他的输入设备对后台图像进行标记，来指导本地医生进行手术。2 3 拓展功能模块 万方数据该模块的主要功能是为手术提供数据支持。本地手术医生通过本地的人机接口向该模块发出命令信息，以获得相应的技术资料支持。例如在手术过程中医生可以从该模块获得病人以前病例资料，或获取手术过程中的基本技术资料。除此之外，如果手术中还需要其他的设备

11、仪器，医生就可以通过拓展功能模块来对该设备仪器进行操作。3 机器人锄内囊镑操作系统的研究现状和发最赫3 1 研究现状目前，美国、西班牙、英国、德国、日本、韩国都已经开展了机器人辅助内窥镜操作系统的研究。随着机器人技术，信息技术，生物技术，计算机视觉等技术的高速发展，一些研究机构已经研制出了试验样机，其中有一些已经用于临床试验，并有少数的几个系统实现了商品化。下面我将国外研究机构所研究的主要系统作一个简要的介绍。(1)德国在上世纪9 0 年代研制了T is k ae n d o a r m系统(一个被动式的系统)，这个系统借助电磁摩擦来获得稳定的可视化定位，由脚踏板来对内窥镜进行控制。同时这个系

12、统还可以用来作为手术器械的牵引器。切入腹腔的套管针的端点是固定的，以防止病人在切入点处遭受到太多来自机器人系统力的作用，增加了系统的安全性。(2)H I S A R 系统(F u n d a，1 9 9 5)采用了新的手臂操作机结构，他采用了安装在天花板上的七自由度冗余的机械手臂，其中采用两个被动式关节以满足切入点的运动学限制。H IS A R 系统中采用了几何重估计算法，克服了切入点杠杆作用的限制，增强了对夹持器位置的控制，使内窥镜达到较理想的位姿。(3)1 9 9 8 年英国的A r m s t r o n g 医疗中心研制了栏目主持：刘远江E n d o a s s i s t 机器人辅

13、助内窥镜操作系统。外科医生通过带在头上的操作器来同步的控制内窥镜的移动来获取理想的可视化图像。只有启动脚踏板开关的时候控制系统才允许内窥镜的移动，这样可以允许医生的头部在非工作的状态下自由的移动。内窥镜定位的获得采用一个称之为远距离中心的方法。这就要求机器人执行手术前，其手臂夹持器的旋转中心必须和切入点准确吻合。这个系统已经成功的商业化，但是并没有公布太多的数据。(4)在机器人辅助内窥镜操作系统中最著名的就是C o m p u t e rm o t i o n 公司的A E S O P(A u t o m a t e dE n d o s c o p i cS y s t e mf o rO

14、p t i m a lP o s i t i o n i n g)。1 9 9 4 年美国的C o m p u t e rm o t i o n 公司获得了美国食品与药品检验局的许可来应用A E S O P 进行外科手术。该公司的第三代产品A E S O P 3 0 0 0 是具有七个运动自由度的声控机械手臂，其中有两个被动式的关节以及一个用于姿态优化的关节，能模拟人手臂的运动功能，替代医生助手实行对内窥镜的操作。在手术过程中，医生通过语音识别系统来控制机械手臂的运动，使手术医生能直接观察和控制内窥镜来获取稳定的手术视野，提高了手术的精确性和安全性。为了防止机械手臂对人体施加超出需要的外力或过

15、分接近人体内部器官，该系统采用有先进的安全保护技术，一旦出现这种危险情况，系统就会自动停止工作。目前研究人员正在努力进一步开发具有灵巧手指且能准确传递触觉的机械手臂。3 2 发展趋势机器人辅助内窥镜技术使病人受益，但会使外科医生因操作困难和长时间的操作而身心疲惫，这些因素都会使手术中失误的风险增加。在操作中缺乏触觉或对力的感觉不准，而使医生很难进行复杂手术。这些因素的存在阻碍了该技术的进 万方数据一步发展。在9 0 年代初期，提出了主从控制系统的概念，通过主操作系统和末端执行器之间的控制器实施对从动装置的控制。将主从控制技术应用于机器人辅助内窥镜技术当中，并进一步开发具有触觉感知功能的机械手臂

16、。在手术过程中手术医生通过移动两个主操作手杆来控制从动机械臂上的手术器械，这些手术器械都是实时并以一定的比率来跟随主操作器的动作。同时通过内窥镜图像处理系统来实时显示手术过程的图像，这样就解决了前面所提出的问题。目前遥控手术机器人系统已经成为了机器人辅助内窥镜操作系统的发展趋势。许多的研究机构已经开展研究临场感的遥操作手术机器人的工作，并取得了一定的研究成果。例如，K A I S T(K o r e aA d v a n Ce d I nS t i t u t e0 fS C ie n C ea n dT e c h n 0 1 0 9 y)已经研制出来一个六自由度的微操作机器人辅助手术系统，

17、该系统具有六维力力矩反馈装置，使主操作器具有非常完善的触觉感知功能。东京大学研制了有力反馈的机器人辅助微创伤手术系统，该系统包含一个多媒体的主控制台，外科手术子系统以及通信子系统。多媒体主控制台配备了有力反馈的主操作器，视觉听觉的显示装置，脚踏板切换装置。这个系统目前处于实验阶段，在该期间此系统成功地进行了切除猪胆囊的手术实验。随着手术机器人外科设备的发展及应用，加上远程通讯“高速宽带”技术的发展，研究人员提出了远程外科的设想，即手术医生在远离手术现场的地方，以远程控制的方式来进行外科手术。远程外科手术概念的提出是一项非常有益的工作，它可以使医生和患者打破空间的限制，使医术精湛的医生为更多的患

18、者进行手术，也能使在特殊环境(如太空、战场等)下的患者得到及时的治疗。另外利用远程外科技术也可以进行手术会诊，栏日主持：刘远江医疗教育，手术指导等，以实现全社会医疗资源的共享。因此远程手术技术是机器人辅助内窥镜技术发展的必然趋势。目前，许多国家的研究机构已经在基于机器人辅助内窥镜操作系统基础上开展了远程外科手术的研究，并且成功开发了远程机器人辅助外科手术系统。2 0 0 1 年9 月，法国医生雅克马雷斯科领导的来自消化系统癌症研究学会的一个医疗小组，在美国纽约看电视屏幕操作Z E U S 机械手，为远在法国斯特拉斯堡的6 8 岁的患者进行了胆囊摘除手术，成功地将远程信号反馈的时间降低为1 5

19、0 毫秒(一般认为安全延时时间为3 3 0 毫秒)。这次命名为“林德伯格手术”的成功意味着：随着现代远程通讯技术和智能化工程技术的发展，世界上任何一个角落的患者欲得到世界上任何一位顶尖专家亲自操作的手术治疗的梦想将成为可能。2 0 0 3 年8 月9 日，中国首例异地机器人脑部手术在北京和沈阳之间进行，两地远隔6 0 0 公里。北京海军总医院的医生在北京用鼠标发出数字指令对在沈阳的患者进行了脑部手术。手术进行了50m i n，机器人成功清除了患者的脑部血肿，患者随之部分恢复了运动和语言功能。如果说机器人辅助内窥镜操作系统是人们将光、电技术，生物工程技术和材料科学等现代高科技成果融于传统的外科手

20、术技巧之中的成功典范，远程机器人辅助外科手术系统则是现代远程信息技术和智能化工程技术与微创外科手术结合的精美之作。前者缩小了对患者的创伤，而后者则缩小了整个世界。4 结论机器人辅助内窥镜技术是无创、微创外科的重要手段，因此成为机器人研究领域的重点和难点问题。机器人辅助内窥镜系统的本质是感知、决策、行动和交互四大技术的结合。与工业用机器人相比，其与环境的交互作用更加复杂，控制更加困难，智 万方数据能程度要求更高。随着机器人技术、网络信息技术、生物科学技术以及微机电技术等的快速发展，有些研究机构已经开发出了样品，并已经得到了应用，但是对于在一些复杂的外科手术中的应用，仍不能令人满意。因此存在的问题

21、也正是该领域的研究方向。(1)临场感技术的实现：为了使医生在手术过程中获得在传统的开放型手术中的真实感觉，除了为医生提供真实的三维手术图像，还必须为其提供力l h 矩反馈。这样不但使医生获得触觉的反馈，而且还增加了手术的安全性。目前各研究机构所研发机器人辅助内窥镜系统的临场感技术还不太成熟，所以力力矩反馈的获得仍然是今后研究的一个重点的方向。(2)面向医疗的多传感器信息融合技术：机器人辅助内窥镜系统应用于人体内部的纵深软组织，其环境是未知的。因此就有必要应用传感器融合技术来检测在人体的位置及所处的环境。目前多传感器信息融合技术在该系统研发中取得了应用，但还不能很好地满足系统的指标，因而开发新型

22、传感器或按照一定融合策略构造传感器阵列以弥补单个传感器的缺陷，将是重要的研究方向。(3)基于网络的远程人机通信和协作技术：在远程手术系统中，信号的实时和高速传送显得尤为重要。为保证手术安全、J J I 页,N 地进行，系统必须将手术现场信息(图像、声音、检测信号)与远地医生的控制指令(语音命令、操纵器指令等)进行高速、准确的传送，尽可能减少时间延迟。(4)虚拟现实及人机协作技术：远程手术技术是现有内窥镜技术发展的必然阶段，而遥控则是一个主要应用技术手段。基于多传感、多媒体和虚拟现实、增强现实的虚拟遥控操作以及人机交互，将成为需要共同发展的一项技术。其一个潜在的技术应用就是基于虚拟现实的手术技。

23、H r _ S J I I 练系统。我们栏目主持：刘远江可以在系统的计算机上嵌入虚拟现实训练程序，两个主控制台之间可以互相通信，这样就可以允许有经验的医师来随时的调节和修正训练者的动作，同时示教者还可以直接的控制手术器械来向训练者演示正确手术程序。双主控制台系统可以缩短训练者的培训时间，因此成为今后研究的一个主要的方向。(5)多智能体协调控制技术：用于实现决策和操作自治陛的、由多智能体组成的群行为控制是一个具有挑战性的关键技术，这里包括任务的解释和表达、学习、实时推理和广义反应能力、监控和异况处理、多智能体协调等。(6)软机器人技术安全性、可靠性是衡量系统的重要指标。现在的大多数机器人，在设计

24、时未考虑与人共存，用的是金属等硬材料。软机器人技术要求其结构和相应的控制以及所用相应的传感器，在机器人意外地碰撞人或相互碰撞时是“软”的，增强人了对机器人的安全感和亲近感。(7)基于视觉的内窥镜自动导引技术：目前的机器人辅助微创伤手术系统是通过外科医生来控制摄像头移动的，通过人机交换接口，实时的使摄像头定位于适当的手术区域，从而获取理想的手术图像。这样做不但增加了手术时间的损耗，而且还潜在地增加了手术的危险|生。摄像头自动导引技术是当检测到手术器械的准确位置后，机器人系统会自动的导引摄像头来获取最佳的可视化图像。这也是当今研究的一个热点技术。(8)机器人辅助内窥镜操作系统是一个复杂的智能系统，因而在实际应用中，必须综合考虑各种功能，这是一个涉及机械、电子、计算机、自动化、生物学等多学科的跨学科课题，任何新技术的出现都可能对该领域的研究带来突破性进展，因而在研究机器人的同时，必须密切关注相关学科的发展。参考文献共2 1 篇(略)1 万方数据机器人辅助内窥镜操作系统的研究机器人辅助内窥镜操作系统的研究作者：付宜利，潘博，王树国作者单位：哈尔滨工业大学机器人研究所刊名：机器人技术与应用英文刊名：ROBOT TECHNIQUE AND APPLICATION年，卷(期)：2006(1)本文链接：http:/