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          骨科手術機器人的技術特征及發展前景展望

          來源:未知 作者:鄭長萬,陳義國,匡紹龍
          發布于:2021-12-21 共9315字
              本篇論文目錄導航:

          【第1-2篇】機器人發展論文(研究推薦6篇)
          【第3篇】家庭智能清潔機器人技術的發展現狀探討
          【第4篇】分析智能機器人的發展趨勢及途徑探討
          【第5篇】 骨科手術機器人的技術特征及發展前景展望
          【第6篇】機器人在鐵路貨車制造行業應用歷史及趨勢

          機器人發展論文范文第五篇:骨科手術機器人的技術特征及發展前景展望

            摘要:復雜的骨科手術對機器人提出了更高的要求,智能化、微創化和精準化成為骨科手術機器人的發展方向。根據骨科手術方法分類,將骨科手術機器人分為關節骨科、創傷骨科以及脊柱外科手術機器人三種。本文介紹了幾類典型骨科機器人的發展狀況,論述了骨科手術機器人的技術特征,并對骨科手術機器人的發展前景進行展望。

            關鍵詞:骨科手術;機器人;人機協作;

            作者簡介:*匡紹龍,E-mail:slkuang@suda.edu.cn;;*胡磊,E-mail:hulei9971@sina.com;

            Abstract:Orthopedic surgery is complicated and presents higher requirements on surgical robots. The current developmentrequirements of orthopedic surgical robots are to be more intelligent, minimally invasive and precise. According to the classifi-cation of orthopedic surgery methods, orthopedic surgery robots are divided into three types: joint orthopedics, trauma orthope-dics and spine surgery robots. In this article, the development status of some typical kinds of orthopedic robots was introduced,their technical characteristics were expounded, and the development trend was prospected.

            Keyword:Orthopedic Surgery; Robots; Human-Robot Cooperation;

            近年來,隨著機器人技術的迅速發展,手術機器人在臨床上的應用和優勢逐漸凸顯,骨科手術機器人作為手術機器人的一種,在精確性和可重復性上具有巨大的優勢[1,2,3].1986年,一款專用于骨科手術的機器人Robo Doc誕生,并且在1991年完成全球第一例機器人全髖關節置換術的臨床試驗[4].隨后,全球多個國家相繼開展骨科手術機器人的研發和應用探索。經過30多年的探索和實踐,美國的TCAT(原ROBODOC)、Sculptor RGA(原ACROBOT)、Mako RIO、Mazor Renaissance(原Spine Assist)、Pi Galileo、OMNIBotics(原Praxim i Block)、ROSA、Navio PFS等骨科手術機器人已獲得美國食品藥品監督管理局授權許可進入商業領域[5].隨著骨科手術機器人的應用與發展,產生了幾種典型骨科手術機器人及其技術的應用范式。

            本文介紹了幾類典型骨科機器人的發展狀況,并從人機協作角度對當前研發和商業化的骨科手術機器人及其技術模式進行梳理和歸納,以探究適合臨床的骨科手術機器人系統,為骨科手術機器人的研究和推廣提供借鑒。

          骨科手術機器人.png

            1 典型骨科手術機器人的發展現狀

            骨科手術機器人按手術類型分為脊柱外科、關節骨科和創傷骨科手術機器人。

            1.1 脊柱外科手術機器人

            傳統脊柱手術中存在患者個體差異、醫師視野受限等原因,導致手術創傷較大、并發癥較多,且比較依賴醫師的經驗,脊柱外科手術機器人將先進機器人技術和醫療技術相結合,可以實現精準、微創的脊柱外科手術,提高手術安全性,同時也縮短了醫師的手術學習時間,提高了手術效率。

            Spine Assist/Renaissance脊柱外科手術機器人(Mazor公司,以色列,圖1A)采用6自由度Stewart并聯構型,重量僅為250 g,在手術過程中可以直接放在脊柱上,實現快速安裝[6].脊柱外科手術機器人MXSE(美敦力公司,美國)將Stealth平臺、Mazor機器人技術和智能算法相結合(圖1B),該系統可以為醫師提供包括術前規劃和手術路徑的引導和實時可視化信息支持,滿足高精度和微創的手術要求[7].ROSA One脊柱外科手術機器人(捷邁邦美公司,美國,圖1C),該系統采用6自由度機器臂和力覺反饋技術,可以實現復雜器械操作,在手術中能夠動態追蹤患者的體位,輔助醫師完成手術[8].

            在北京航空航天大學初始技術的支撐下分別演化和研發了相應的脊柱外科手術機器人系統天璣[9](天智航公司,圖1D)和佐航(鑄正公司,圖1E)。

            1.2 關節骨科手術機器人

            因骨質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計(computer-aided design,CAD)和計算機輔助制造(computer-aided manufacturing,CAM)技術遷移到骨科手術機器人中[10],關節置換手術是機器人研究者關注最多的外科領域,也是目前食品藥品監督管理局授權臨床許可銷售種類最多的機器人。

            最早研發的關節骨科手術機器人是ROBDOC(圖2A),起源于1986年IBM和加州大學戴維斯分校聯合開發的用于全髖關節置換手術,1992年成立ISS公司開始運營[11],后在歐洲、日本、韓國等有少量銷售,中間受銷售和資金限制,幾經周折后于2014年更名為TCAT,整套系統命名為TSolution One[12],于2017和2019年分別獲得食品藥品監督管理局在全髖和全膝關節手術的重新授權許可。另一款用于關節的典型系統為德國研制的CASPAR機器人[13](圖2B),開展關節置換和交叉韌帶重建手術,后因銷售以及安全事故于2004年破產清算[14].這兩款系統主要采用主動方式,在醫師監督下完成關節面的高精度切除工作。

            1996年,英國帝國理工學院的Davis等[15]研發了用于膝關節置換的Acrobot機器人(圖2C),該機器人以手術助手為特征開發,既在醫師手動控制下按照規劃進行作業,又能限制醫師手的抖動以及機器人運動的范圍,從而達到人機共享方式作業。后來的Mako RIO機器人[16](圖2D)同樣強調手感在關節置換手術中的重要作用,提出"觸覺交互"的概念[17],目前該機器人在全球銷售1000多套,開展45萬余例手術,成為唯一獲得市場高度認可的關節骨科手術機器人。捷邁邦美公司利用已生產的ROSA脊柱定位機器人通過修改末端工具和軟件,研發了用于關節面銑削定位的ROSA Knee機器人[18].用于全膝關節置換術的Ti Robot Recon機器人(天智航公司)也是這種模式[19].

            關節骨科手術機器人個體龐大,給醫師和手術室的布局帶來很大的影響,一些研究者提出研發基于骨安裝的關節置換手術機器人,目前已有采用i Block機器人的OMNIBotics[20]關節骨科手術機器人獲得了授權,該產品源于早期的Praxiteles機器人(法國TIMC-IMAG和Neuromotor Control公司聯合研發,圖2E)[21].另外,基于傳統計算機輔助導航手術,在手術工具上使用了機器人技術,研發了基于手持式的用于關節置換手術的Blue Belt機器人(圖2F)[22],保障醫師手持手術工具在手術邊界區域和非手術區域的安全。

            國內從目前媒體報道來看,主要借助Kuka iiwa或類似人機協作機械臂,實現諸如ROSA Knee的定位功能,由截骨導板實現關節面的銑削,以完成關節置換手術。

            圖1 脊柱外科手術機器人

          1.png

            A.Renaissance;B.MXSE;C.ROSA One;D.天璣;E.佐航

            圖2 關節骨科手術機器人

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            A.ROBDOC;B.CASPAR;C.ACROBOT;D.MAKO;E.Praxiteles;F.BlueBelt

            1.3 創傷骨科手術機器人

            鑒于創傷的復雜性,機器人在這個領域的應用也呈多樣性。早期的創傷骨科手術機器人主要用于髓內釘內固定等手術[23],但隨著對機器人的要求越來越高而逐漸淡出研究。近年來,用于長骨骨折復位和骨盆骨折復位的創傷骨科手術機器人也有一些研究的報道,但相對脊柱和關節仍然很少。

            最早實施骨折手術的是國內哈爾濱工業大學團隊在國家863計劃支撐下于2002年研制的基于stewart結構的遙操作正骨手術機器人系統(圖3A)[24].隨后,德國雷根斯堡大學Füchtmeier等[25]于2004年報道了該團隊基于史陶比爾RX130工業機器人研制的Ropo Robo骨折復位系統(圖3B)。之后,國內外多家研究機構陸續報道了以長骨骨折復位為主的創傷骨科手術機器人及其系統,如德國漢堡創傷醫院研制基于stewart平臺的Intelligent Fixator骨折復位機器人系統(圖3C)[26];日本大阪大學和東京大學聯合研制的串聯構型骨折復位機器人FRAC-Robo(圖3D)[27];英國西英格蘭大學布里斯托機器人實驗室Stewart結構機器人研制的具有3D導航能力的RAFS骨折復位機器人等(圖3E)[28].

            國內,中國人民解放軍總醫院聯合北京航空航天大學研發了基于stewart平臺的長骨骨折復位機器人MART(圖3F),并成功進入了臨床試驗[29].北京航空航天大學聯合積水潭醫院研發了開口式stewart構型長骨骨折復位機器人(圖3G)[30].香港大學設計了串并聯混合的骨干骨折復位機器人(圖3H)。上述研究除MART外,所有系統均處于原型構建或樣機初步嘗試階段。

            在更為復雜的骨盆骨折復位手術機器人方面,國外只見一篇關于骨盆復位機器人構型及設計的研究,是由意大利都靈理工大學利用Stewart結構構件骨盆復位機器人的原理樣機(圖3I)[31].國內最早見于2012年北京航空航天大學和中國人民解放軍總醫院聯合研發的串并聯結構骨盆骨折復位機器人(圖3J),相比Stewart結構有更好的適應性[32].2015年,積水潭醫院聯合北京航空航天大學對并聯機器人在骨盆復位方面的應用進行了嘗試性分析(圖3K)[33].

            2 骨科手術機器人的技術特征

            從機器人構型特征可將骨科機器人分為三類:基于工業機器人構型的骨科手術機器人(如ROBODOC、Acrobot、RIO等)、基于骨安裝的微型專用骨科手術機器人(如Renaissance、PiGalileo、OMNIBotics、FPS等)[34]和基于并聯結構的骨科手術機器人(如MART、RAFS等)[35,36].基于骨安裝微型專用骨科手術機器人針對特定手術適應證,作為微創手術高精度、高安全的定位工具而設計,主要在脊柱手術和全膝關節置換手術中使用,因應用場合而受限;诓⒙摻Y構或串并聯結構機器人主要用于創傷復位等需要大操作力的場合,一般采用主從遙操作控制;诠I機器人構型的骨科手術機器人因其具備更大的作業空間和操作靈活性,可針對各種植入、骨去除、骨假體植入等手術操作,有更好的通用性,因而從研究角度受工程和臨床關注更多。

            圖3 創傷骨科手術機器人

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            A.遙操作正骨機器人;B.RopoRobo;C.Intelligent Fixator;D.FRAC-Robo;E.RAFS;F.MART;G.長骨骨折復位機器人;H.骨干復位機器人;I.并聯機構骨盆復位機器人;J.串并聯結構骨盆骨折復位機器人;K.骨盆復位機器人

            圖3 創傷骨科手術機器人

          4.png

            A.遙操作正骨機器人;B.RopoRobo;C.Intelligent Fixator;D.FRAC-Robo;E.RAFS;F.MART;G.長骨骨折復位機器人;H.骨干復位機器人;I.并聯機構骨盆復位機器人;J.串并聯結構骨盆骨折復位機器人;K.骨盆復位機器人

            基于工業機器人構型的骨科手術機器人(如ROBODOC等機器人)早期主要基于CAD/CAM原理[10]對關節置換的病骨進行切除操作,盡管手術精度高于常規手術[37],但CASPAR在市場的退出以及ROBODOC機器人在市場的幾經周折都表明,其具備工業機器人特征的自主作業模式未得到醫師的廣泛認可。其次,為了強調手術調整中醫師對機器人的直接控制,在機器人每個關節或機器人末端加上力/力矩傳感器,當醫師用手把持機器人末端并施力時,機器人跟隨醫師意圖做被動跟隨運動,達到手術區域時進行精準定位,由醫師實施手術,后期的ROBODOC機器人[38]一直倡導這種方式。這是當前定位為主的脊柱外科手術機器人和關節骨科手術機器人的主要操作模式。

            為了保障手術過程中機器人的安全性和醫師對機器人的主動控制能力,Davies等[15]于1994年提出了"主動約束"的概念,開發了以手術助手為特征的Acrobot機器人。該機器人在其末端安裝一帶力測量的操作手柄,術中醫師把持手柄帶動機器人跟隨運動,同時考慮醫師誤操作和抖動等因素,保障操作安全性,機器人在手術導航規劃和定位跟蹤下,自動限制醫師的運動在手術規劃區域內,形成了"主動約束"或者"Hands-On"技術的操控機制。后來,諸多關節外科手術機器人在研發時,都采用這種基于醫師操作力的人機協作模式的被動跟隨運動,形成了所謂的半自主機器人[39].成功采用"Hands-On"技術的機器人還有RIO機器人(MAKO公司,美國),被稱作"觸覺交互"模式的機器人。該機器人除做全膝/髖關節置換手術外,近幾年在單髁關節置換和定制化局部關節置換方面做了很多堅實的臨床驗證工作[40].

            因此,基于人機協作模式的用于復雜形狀高精度作業機器人是當前骨科手術機器人的主要發展方向,在保障醫師對機器人操作過程進行實時、主動的控制同時,又能借助機器人的高精度和高剛性,保障手術的安全性。

            3 骨科手術機器人的發展前景

            全球骨科手術機器人行業中的主要企業,如美敦力、史賽克、捷邁邦美、施樂輝等大型醫療器械公司正在加速占領醫療器械市場,競爭進一步激烈。史賽克在2013年以12億美元的價格收購了Mako Surgical及其全膝關節或膝關節單髁置換手術機器人系統RIO,施樂輝在2016年收購了Blue Belt公司并在次年研制出NAVIO輔助關節置換系統,2017年強生收購脊柱外科手術公司Sentio并且在2019收購了關節骨科手術機器人公司Orthotaxy,美敦力在2018年以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平臺Mazor,捷邁邦美用1.32億美元的價格收購Medtech及其ROSA平臺。國外骨科機器人公司擁有雄厚的資金、技術以及更高的品牌知名度,對國產骨科機器人研發和產業化帶來模仿跟蹤的同時,也從技術上帶來極大的挑戰。

            近年來,國內骨科手術機器人產業也發展迅猛,主要的骨科手術機器人廠商有天智航、蘇州鑄正、微創醫療、威高集團等幾十家。天智航是國內首家獲得中國食品藥品監督管理局核發的第三類醫療器械注冊證的骨科手術機器人導航定位系統的企業,于2020年上市,成為國內第一個醫療機器人上市企業。近年來,醫療機器人的融資活動中大部分是骨科手術機器人,預示著骨科手術機器人將在近幾年陸續上市,市場也會在最近幾年有所爆發。盡管國產手術機器人增長勢頭迅猛,但在骨科手術機器人行業中,美國等西方國家的自主創新能力和行業地位任然處于引領地位[42,43],國內骨科手術機器人大多仍處于研發階段,除骨折復位手術機器人相對國外有一定優勢外,脊柱外科和關節骨科手術機器人均以系統集成和功能模仿為主,關鍵零部件如機械臂和導航裝置仍然依賴進口,技術研發與國外尚有很大差距。

            此外,骨科手術機器人的設計方法學主要基于人機優劣勢分析[10],以機器人替代醫師操作精度和穩定性有關的手術部分,如定位導向、骨材料去除等?紤]到手術室龐大的設備和器械系統占地等兼容性問題,也帶來機器人手術準備時間過長等問題,這是其臨床應用受到限制的一個重要方面,也帶來了醫師操作的尷尬姿勢和不良工效。因此,未來需要引入更多人因工程與工效學的知識,基于系統工程思維開展機器人設計。將人因工程應用于機器人設計中,以確定手術流程與手術室布局方案,將進一步提升機器人在手術室的適應性,也是降低機器人準備時間、提高效率的一個重要途徑[44,45].

            對現有骨科手術機器人而言,無論脊柱外科、關節骨科還是創傷骨科機器人,能夠解決的問題主要以定位、骨切除、復位動作操作為主,以替代醫師體力和不精確操作。在骨科領域,機器人需要有更高的智能才能從事更多醫師難以實現的作業,如椎板減壓操作、關節置換后的翻修、骨盆的智能復位操作等,這是骨科手術機器人發展30余年卻不像胸腹腔鏡手術機器人如達芬奇系統那樣受到廣泛歡迎的主要原因。因此,未來需要做更多技術攻關和探索,使骨科機器人能夠輔助醫師從事更復雜、難度更高的作業,以獲得更廣泛的市場認可。

            4 小結

            骨科是手術機器人最早進入的領域之一,也是當前醫療機器人的熱點領域。本文總結了三種類型的骨科手術機器人,分析了骨科手術機器人的技術特征和發展前景。我國在骨科手術機器人領域起步較晚,與發達國家相比還存在一定差距,但發展較快,因此國內骨科手術機器人還存在較大的發展空間。如何提高骨科手術機器人的穩定性和精度、提高手術效率、改善人機交互體驗是未來的主要發展方向。

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          作者單位:蘇州大學機電工程學院 中國科學院深圳先進技術研究院 中國人民解放軍總醫院創傷骨科 北京航空航天大學機械工程及其自動化學院
          原文出處:鄭長萬,陳義國,匡紹龍,胡穎,張立海,胡磊. 骨科手術機器人的發展現狀分析[J]. 中華骨與關節外科雜志,2021,14(10):872-877.
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