微创机器人手术器械研究进展

孟繁森， 辛绍杰， 桑成松

(1. 上海海洋大学 工程学院， 上海 201306； 2. 上海电机学院 机械学院， 上海 201306)

微创外科手术(Minimally Invasive Surgeries, MIS)是通过小创口(约10 mm)进行手术的方法[1]。与开放式手术相比，有创伤小、出血少、并发症少、康复快和住院时间短等优势[2]，推动了现代外科的发展并已逐步成为现代外科手术发展的一种趋势。

传统的腔镜下微创手术也有着许多缺陷：① 持镜方面。在手术过程中长时间持镜会产生疲劳和颤抖，造成手术图像震颤影响医生视觉，且助手持镜也会削弱主刀医生的手眼协调能力。② 操作方面。MIS所使用的手术器械自由度很少，还需受到支点效应的限制[3]导致腕部关节运动丧失而限制手术灵活性。尤其是在缝合任务多、解剖结构复杂的手术中，医生必须进行腕部灵活的操作来补充自由度，这延长了手术时间也加剧了医生疲劳。③ 工作空间方面。固定的端口和手术通道会限制有效的工作空间。④ 精度方面。手术时手部的颤动会影响到器械尖端的精准度，且人手直接操作的传统微创器械也达不到一些高精度手术的需求。⑤ 感知方面。手术时得不到开放手术中的“手感”，力触觉信息的缺失弱化了医生的感知，影响手术效果。⑥ 学习方面。复杂手术的学习曲线较长，不利于医生的学习掌握[4]。

微创机器人的使用很好地应对了上述传统腔镜下微创手术的不足、缓解了对医生手术的限制、提升了微创手术的效果。此外，微创机器人还有远程手术、术前规划、导航等功能。其中最具代表性的是美国Intuitive Surgical公司的Da Vinci机器人系统[5]，以其灵活的多自由度手术器械、除颤与运动缩放、优良人性化的坐姿主要从遥操作控制和高分辨率的3D视觉反馈等功能支持进行高效、精准、灵活的操作和视觉真实的微创手术[6]。虽然机器人辅助微创手术在很大程度上解决了传统腔镜下微创手术的不足，但还是存在力感知缺失、消毒灭菌困难、价格昂贵等问题[7]。这些问题的改善，很大程度上在于微创机器人末端手术器械的设计，其直接与病灶接触且是具体执行的机构，因此，展开微创机器人手术器械的研究对微创机器人性能和治疗效果的提升是极为关键的。

本文讨论的手术器械及其技术是集成或应用在微创机器人上的医疗器械，按其结构特征分成：关节铰接式、连续体式、单孔集成式器械。讨论近5年来国内外对微创机器人手术器械的研究情况，并探讨它们各自的优点和局限性。按照测量方式的不同将力反馈技术分为直接测量和间接测量两种方式，并进行分类讨论。同时还需说明的是，由于医疗器械与机器人技术的设计周期长、参数调节复杂和临床实验困难等因素的特殊性，对其研究多数没有进行临床实验，故本文将立足机构和机器人学研究的角度进行对比分析。

1 微创机器人手术器械

传统微创手术器械的自由度低、灵活性差，无法过滤手部的震颤，不能装载在微创机器人上进行手术。在这种情况下，开展多自由度、操作灵活、安装快捷和方便消毒灭菌的微创机器人手术器械研究是极有必要的。同时，随着微创机器人技术发展和外科手术对更小创口的追求，开发单孔集成式手术器械乃至可通过自然孔道的器械越来越受研究者的重视。从微创机器人和手术器械历史和发展的角度来看，关节式和连续体式器械是单孔集成式器械技术发展的积累和基础。因此，这部分将按结构特征的类型和联系为基础，以关节铰接式、连续体式、单孔集成式的顺序分别对其进行讨论。

1.1 关节铰接式

关节铰接式器械通常是由多个回转关节、离散刚性连杆连接，具有高刚性、运动灵活直观的特点。图1所示为关节铰接式器械，这类器械的特点是拥有固定的自由度和较为紧凑的尺寸，同时这也是设计的约束。例如，如何在有限尺寸和自由度的限制下高效地将轴向旋转传递到末端执行器。

Da Vinci机器人系统的EndoWrist是一款商业化类似人手腕运动的手术器械组[8]，包含常用手术器械，如图1(a)所示。EndoWrist器械直径5～8 mm，采用钢丝传动方案，有包含独立的钳口开合、外展腕轴和器械轴旋转的4个自由度，安装在从臂上后共有7个自由度。EndoWrist的优势在于操作灵活、与从臂快速装拆，是目前应用最广泛的商用器械，但有使用次数受限和缺乏力触觉反馈的不足。

首尔大学研制了微型铰接腕式器械[9]，如图1(b)、(c)所示。腕部有两个自由度，通过两个同心轴驱动的斜齿轮将转动变为腕部关节运动且沿滚动方向可完全旋转，其腕部可伸缩、俯仰角度范围为±90°，其平均移动误差为1.31 mm，运动负载为250 g。不足是有奇异位置、抓钳尺寸大，斜齿轮对制造要求高。

天津大学针对现有器械的机械效率低、运动耦合性差等问题，基于刚性厚板折纸理论开发了一种微创抓钳[10]，如图1(d)所示。器械有77.78°的张角和9 mm的直径，利用折纸在折痕处视为旋转铰链，由折痕包围的纸张视为连杆的折纸理论[11]，把多自由度机构转变为单自由度机构。其优势还在于得到了2.5倍于传统手术钳的机械效益，此外也有较好的夹持力、张角、灵活性。

图1 关节铰接式器械

1.2 连续体式

由于关节铰接式手术器械和仿生学的发展，再加上对更低创的追求，研究人员基于蛇类和章鱼等生物的生理特点开发了连续体式机器人，它是由连续弹性元件(碟片、蛇骨和套管等)组成的[12]，特点有：可在复杂环境下通过非线性路径进行手术、顺应性结构、易于小型化，但刚度较低。因此，对设计提出了要求，例如，连续体机器人的刚度和工作空间必须足够大，才能支持器械能够达到复杂位置且能在运动过程中施加足够的力。因为连续体式器械的骨架材料通常选择具有较高弹性应力极限的材料，所以常用钢与碳纤维复合材料、有良好生物相容性的超弹性NiTi合金(更为常用)。

Da Vinci机器人的连续体器械[13]，如图2(a)所示，通过多组碟片和穿过碟片的钢丝绳来完成偏转和运动。这种结构很好地解决了工作空间的奇异现象，提升了灵活性和使用寿命，但这也给钢丝传动的布局和碟片组的设计带来了困难。

加拿大多伦多大学基于类Da Vinci系统的研究平台(da Vinci Research Kit, dVRK)设计了同心管器械(Concentric Tube Instrument, CTI)和微型非对称切口机器人(Miniaturized Asymme-trically Cut Robotic, MACRO)器械[14]，如图2(b)所示。CTI由3层套管和钢丝共同完成3自由度的钳爪运动，同时提供了较大的工作空间和较小的轴颈(2 mm)，但对于急剧转弯上表现不好；MACRO有着2 mm的轴颈，其通过缺口管和外置的缆丝和弹簧实现2自由度运动，有更小的弯曲半径和耦合。

上海交通大学用于上颌窦手术的4自由度连续体模块手术器械[15]，如图2(c)所示。旋转机构(4 mm)由四孔球窝关节和钢缆丝传动组成，270°弯曲能力保证可灵活绕过上颌窦内的复杂结构完成手术。

上海交通大学还开发了具有增强功能的模块化手术器械(Strengthened Modularly Actuated Robotic Laparoscopic Tool, SMARLT)[16]，如图2(d)所示。该器械轴颈为7 mm，有2个自由度。采用了双连续体对偶机构，近端和远端的弹性关节排列相似且近端弯曲会使远端反向弯曲，可实现远端灵活操作和负载能力。

图2 连续体式器械

1.3 单孔集成式

由于传统MIS常需使用多个专用器械(如解剖器、抓取器、牵开器和内窥镜)，以及对更优化的手术通路和更小的手术创伤的追求，研究人员开始设计一种可通过单通路且集成多种手术器械的工具——单孔集成式器械(见图3)。这类器械有侵入性小、术后恢复快的优势，也减轻了手术暴露不良和器械碰撞等问题，但也有许多问题。例如，小尺寸上集成多种仪器和功能有许多挑战，包括三角剖分不足、器械定位和运动复杂、器械拥挤易相互干扰、人体工学设计困难和手术通道尺寸大等问题。需要指出的是，单孔集成式机器人是在关节铰接式和连续体式器械的影响下发展而来，故集成在单孔集成器械中的某个器械的特征是与上述两种器械密切相关的。

Da Vinci SP机器人的单孔手术器械[17](见图3(a))由1个3D视觉模块和3个抓钳组成，采用类伺服驱动和系统级电动机控制来保障器械的运动精度。

密歇根大学和上海交通大学开发了一款单孔腹腔镜手术机器人SURS[18](见图3(b))，其在折叠状态下可通过12 mm的端口进入腹部，有3自由度的视觉模块和两个6自由度的展开臂，展开臂的结构平均弯曲误差为0.72°～1.39°。

图3 单孔集成器械

单端口蛇形机构的固定刚度很难应对高载荷和精确定位下的深入腹腔操作，基于此三星高级技术学院设计了新型可变中性线机构，做出了4自由度的可调刚度超冗余管状操纵器[19](见图3(c))。薄且空心的接头单元通过改变钢筋束的张力完成连续的刚度调节，得到了较好的灵活性和可调刚度，可更容易、安全地进行单端口下的困难手术。

内布拉斯加州林肯大学开发的微型液压单孔操作器[20](见图3(d))可携带4个手术器械，通过控制器和液压缸的配合完成操作器械的切换，且对器械的操作力峰值进行了限制，有安全性好、更换快、尺寸小的优势。

新加坡国立大学的多通道单端柔性并联手术机器人[21](见图3(e))由两个5自由度的柔性操纵器通道和一个内窥镜通道组成。各通道均有3组超弹性镍钛杆和万向节并联机构，这种并联机构在受约束的手术工作空间可灵活运动。

介绍3类器械后，对其进行简要直观的整理分析，得到微创机器人手术器械的总结对比如表1所示。

通过上述对各类器械的讨论和对比分析介绍，对3类微创机器人手术器械的特征的比较如表2所示。由于各类器械设计原理、目的和功能等的不同，本文将以整体特征为中心来进行对比。

2 手术器械力检测技术

临床上，力觉信息的缺失会使医生在鉴别组织的物理特性、缝合、打结操作上产生困难。此外，力反馈的缺失导致学习曲线较长，无法感受抓力的大小，可能会夹坏组织[22]。提供力反馈可提高操纵精度、缩短手术时间。

为提供真实的手术环境和还原“手感”的力反馈技术，在手术器械上安装传感器测量触觉信息并通过专门的人机接口反馈给医生。因此，力反馈问题可分为两个问题：检测尖端力学信息的检测问题和将力信息传递给医生的反馈补偿问题。由于器械尺寸约束，与传感器相关的测量范围、灵敏度、抗干扰性和兼容性等因素的影响，以及体内环境的不确定性等条件的共同作用，导致研究力检测技术是相当困难的。基于上述原因，本文将重点放在技术相对不成熟、发展较为困难的力检测技术，讨论其当前研究的情况。

表1 微创机器人手术器械比较

表2 3类微创机器人手术器械特征比较

当前，有两种力检测方式：一是将传感器集成在器械尖端上直接进行力检测的直接检测方式；二是将传感器集成在器械远端通过测量手术器械的位移、转矩等参数来间接估测交互力的间接测量方式。

2.1 直接测量方案

印度韦洛尔理工大学设计的有力检测功能的手术器械[23]，如图4所示。力传感器植入了钳抓附件的万向节旁边，能有效检测较小的组织作用力。刚性连杆体上使用了形状记忆合金，有较好的精度和灵活性。

意大利理工学院基于Da Vinci系统研发了皮肤反馈系统[24]，如图5所示。系统由安装在手术器械尖端上的BioTac触觉传感器和皮肤反馈装置组成，BioTac传感器将感应到的接触变形和振动直接映射到皮肤反馈设备电动机的输入来实现力反馈。

斯坦福大学针对临床中抓握滑动问题，设计了基于滑移感应的抓钳[25]，如图6所示。采用基于热传感器的感测方法，在滑移时测量与滑动相关的温度变化从而监视滑移情况。虽然可检测到微小滑动，但受组织类型、水分、热条件的干扰，测量差异较大。

成均馆大学的力感知抓钳[26]，如图7所示，钳口近端集成了两个微型三轴力电容传感器，通过在上下钳口呈三角结构布置的电容传感器排列实现5自由度的力/扭矩感知，成本低廉适用于一次性器械。

约翰·霍普金斯大学研制了用于玻璃体视网膜手术的3自由度微型力感知钳(28 mm×13.2 mm×7 mm)[27]，如图8所示。在微型管中央内置1个轴向光纤(Fiber Bragg Grating, FBG)传感器，与在微管中的3个横向FBG传感器检测抓钳所受横向和轴向力。直线电动机驱动导管开/闭钳口，无需机械连接即可实现抓钳制动，同时也保证了制动时传感器输出的高度可重复性。

为了解决目前力检测中包含大量导线、不耐消毒灭菌和高成本的缺陷，韦仕敦大学设计了低成本的一次性触觉传感器[28]，如图9所示，传感器包含板载模数转换电路，仅需两个电源端和两个数字信号端连接。

哈尔滨工程大学的具有三维力感知能力的手术抓钳[29]，如图10所示，基于解耦特性将二维力传感器与抓钳集成为一个零件，通过两个传感器在抓钳上90°互相垂直异置和三维力解耦算法实现力传感功能。

2.2 间接测量方案

韩国科学技术院设计了基于间接测量驱动力方法来模拟力感知的微创手术器械[30]，如图11(a)所示。浮子差动扭矩传感器安装在驱动电动机上进行扭矩测量，其结构避免了传输线的扭曲，且可重复性和滞后性表现较好，但精度较低。

庆应大学开发了基于电动液压传动的力感知手术钳[31]，如图11(b)所示，用流体实现抓握运动。器械集成了基于状态检测器的反作用力检测器(速度状态检测器可通过位置编码器测量位移估得信息，干扰状态检测器由电流和位置反馈估得干扰信息)实现了无力传感器的作用力检测。

天津大学基于“妙手S”机器人的4自由度手术器械提出了夹持力预补偿方法，如图11(c)所示。其中，α、β、γ为器械腕部关节角度值；φ1、φ2、φ3为对应的接口转角值。通过将主从运动映射得到的器械姿态信息与夹持力之间建立映射关系模型预估理想夹持力的输出值，该模型的优点是无需考虑传动环节中各因素对夹持力的影响[32]。

介绍了一部分力检测器械后，可对这些器械技术进行简要直观的对比分析。本文讨论的力检测器械的总结对比如表3所示。

图4 有力检测的手术器械

图5 液压单孔操作器

图6 基于滑移感应的手术抓钳

图7 力感知抓钳

图8 用于玻璃体视网膜手术的力感知手术钳

图9 一次性触觉传感器

图10 三维力感知手术抓钳

图11 间接测量

表3 力检测器械比较

综上，无论是直接或间接测量，多数的力检测技术需用类传感器实现检测，将传感器集成到小尺寸器械中。为此，应先解决传感器安装、电线扭曲、不确定因素(电动机反冲、摩擦)干扰和消毒条件影响的问题。此外，检测技术的临床转化也是研究的重点。两种测量方式的简要对比如表4所示。

表4 两种检测方式比较

3 结 论

本文基于微创机器人手术器械的国内外发展现状，讨论了关节铰接式、连续体式、单孔集成式手术器械以及各自的特点和发展情况，并对直接、间接检测两种力检测技术方式进行了介绍，得到了以下结论：

(1) Da Vinci系统和手术器械的设计理念和商业化水平在世界范围内处于领先水平，但还没有实现力感知触觉反馈功能。我国对微创机器人手术器械的研究发展迅速，但还很不足。

(2) 关节铰接式器械刚度高、运动灵活，但尺寸限制大、关节传动复杂。同时，这类集成力检测和反馈技术的器械相对较多，具有优化结构和尺寸以及集成力检测功能的关节铰接式器械是今后的发展方向。

(3) 连续体式器械尺寸小、远端运动灵活、顺应性强，但有刚度限制、运动检测和定位困难。其发展要解决器械形状和运动检测定位、人机交互接口、刚度限制等问题，此外，新材料的应用也是发展方向。

(4) 单孔集成式器械集成多种手术器械和内窥镜，通过单通路进行手术，有少创伤的特点。其发展要解决三角剖分不足、器械定位和运动复杂、器械拥挤易相互干扰、手术通道尺寸大和人体工学设计困难等问题。

(5) 由于对更低创伤的追求，微创手术器械整体向尺寸更小、灵活更高、精度更高、操作更便捷的方向发展，单孔集成式器械和自然孔道技术逐渐成为研究的热点。同时，受小体积、高灵活、高精度、运动解耦、易消毒和优良生物相容性等设计要求的影响，不兼容的微创机器人平台和手术类型的限制，以及各种医疗相关的法律法规的约束和其他因素的影响，导致了开发研究的束缚和产品化的困难。

(6) 直接检测是用传感器在器械尖端直接对测量信息进行收集，减小传感器位置、电线扭曲、消毒方法和安装等因素带来的误差是未来研究的方向。另外，新型高性价比的微传感器的设计也是其发展的重点。

(7) 间接检测对于传感器的要求较低，其研究的重点在于设计更优化的预估模型，解决不确定效应的影响、提高建模精度、降低计算量。基于临床条件的多检测方式、微传感器、精确感知信息模型和优良人机交互设计等问题是力检测技术深入发展的关键。