希望的迹象

这一切都与控制有关。这就是机器人的优势所在。它们有惊人的能力来控制运动的轨迹、深度和速度。并限制它们施加的力。

在手术室里，机器人帮助引导手术器械到精确的治疗位置。他们可以一遍又一遍地重复同样的动作而不感到疲劳，或者长时间保持完全静止。机器人可以完成传统手术工具无法完成的任务，完成没有计算机辅助、复杂算法和先进运动控制技术无法想象的任务。他们把不可能变成可能。

机器人手术是最先进的，具有灵活机动的机器人和机器学习。市场是发展的温床。

根据联合市场研究公司(Allied Market Research)的一份报告，2017年，全球手术机器人市场的价值刚刚超过5600万美元，预计到2024年将超过9800万美元。北美在全球手术机器人市场中占有最大的份额。矫形外科机器人，比如Stryker的Mako™机器人对于髋关节和膝关节置换手术，可以看到最大的潜力。

业内人士发现，希望进军机器人领域的技术平台有限的医疗设备公司数量正在增加。每个人都想分一杯羹。

密歇根州谢尔比镇库卡机器人公司北美医疗机器人部经理科里·瑞安说:“他们今天可能只提供手术用的手工具，他们正在考虑是否应该建立一个全功能的机器人系统。”“他们希望能够紧跟潮流，保持客户基础。随着市场开始扩张，人们都想加入下一个intuition。”

瑞安指的是达芬奇手术系统(da Vinci®Surgical System)的制造商Intuitive Surgical。达芬奇手术系统可以说是市场上最知名的医疗机器人，当然也是机器人手术领域的先驱。自2000年获FDA批准以来，达芬奇机器人已经在世界各地安装了数千台。第四代达芬奇Xi于2014年在美国推出。改进使其更易于使用，更多功能，并为患者提供更好的访问。看一看。

TransEnterix Surgical, Inc.的Senhance™外科机器人系统于2017年10月获得FDA批准，使其成为FDA的竞争产品自2000年以来，第一个腹部手术机器人市场的新进入者．在机器人手术平台上，眼球追踪摄像头控制首次使外科医生只需移动眼睛就能移动腹腔镜摄像机。通过触觉反馈，他们可以“感受到”机械手臂遇到的力。

和许多行业一样，医疗保健行业也在经历劳动力短缺，因为医生们要么退休，要么跳槽。与此同时，65岁及以上的人口是手术服务的主要用户，预计到2060年将翻一番，这将进一步加剧医疗体系的紧张。像达芬奇和Senhance系统这样的外科机器人使经验不足的外科医生能够在更高水平上进行手术，并帮助我们的老年人群延长经验丰富的外科医生的职业生涯。

瑞安说:“如果你的医生每一两个月只做一次微创手术，他们的速度和技术都不如那些每天做4到10次手术的医生。”“机器人技术可以让经验有限或在某一过程中是新手的医生提供某种水平的治疗，而在他们有经验之前，可能需要很多年才能做到。如果你能让一个经验有限的外科医生表现得像世界级的外科医生，这是一个巨大的优势。”

我们也希望我们的经验丰富的外科医生在游戏中尽可能长时间地工作，只要他们能够安全地进行手术。机器人有助于减少手颤的影响，并可以限制无意或意外的运动。

“医疗机器人的一大优势是，你也可以消除老年人的颤抖，”瑞安说。“外科医生有非常先进的能力来控制他们的手，但随着时间的推移，这种能力会退化。如果你有一个机器人，可以消除这些震动，他们可以延长外科医生的生命，但也使系统更安全。”

外科机器人也增加了吞吐量。如果你能减少治疗病人所需的时间，并提供同样质量的护理，那么你就能治疗更多的病人。

机器人头发移植系统采集并植入数千个微小的毛囊，以实现更精确、可靠和更快的微创头发修复程序。(KUKA机器人公司提供)

超人的运动控制

机器人超人的可重复性和运动控制能力使这种植发系统成为机器人梦寐以求的应用。ARTAS®iX头发修复系统是由加州圣何塞的restoration Robotics公司开发的。该系统使用KUKA LBR Med机器人。

在这个最新的头发移植系统中，机器人不仅从病人的后脑勺采集毛囊，还将新采集的毛囊单元植入头皮的目标区域。在之前的系统迭代中，机器人只处理收获。然后，技术人员将需要手动插入采集的卵泡。现在，集成的力传感确保机器人在收割和植入过程中与病人接触时保持所需的力。

在实际的程序中查看ARTAS机器人系统(警告，一些图片内容)首席执行官Ryan Rhodes和首席运营官Gabe Zingaretti描述了用于毛发移植的毛囊单位提取(FUE)方法以及LBR Med在这一先进过程中的作用。

LBR Med机器人是一种改良版的LBR iiwa用于工业应用。就像工业版本一样，LBR Med轻便且安全，人类可以在盒子外工作。在所有七个关节中集成了力扭矩传感器，提供了内置的灵敏度和防撞功能。一个完全冗余的安全系统，包括冗余的软件和硬件，满足RIA安全标准用于人-机器人协作系统。

与工业版的主要区别在于，LBR Med机器人通过了医疗器械标准认证。这意味着所有的安装区域都是隐藏的，所以你不会有暴露的安装螺栓，在那里流体可能积累和潜在的细菌生长。所有的电缆都在底座下面，所以可以密封。所有的电气连接都在法兰内部，所以外面没有裸露的电线。设备满足过载测试要求。另外，地中海内部的电源端口必须满足漏电流要求。

瑞恩解释说，所有的电子设备都会将电流泄漏到地线上。通常情况下，它是非常小的。但即使是最小的泄漏电流，如果它进入地线并通过病人，也可能是致命的。控制器和机器人的设计必须确保你不会意外地将电流驱动到地线上。

LBR Med正在与几家原始设备制造商合作开发，试图将机器人医疗产品推向市场。FDA的批准，特别是机器人手术设备的实际切除，可能需要数年才能实现。像LBR Med这样的机器人已经通过了医疗设备标准认证，并为人-机器人协同工作空间设计，可以使开发过程更加高效。

KUKA医疗机器人团队的一个主要发展领域是套管针运动学。

“当你在人体内部工作时，你是通过一个端口(组织层上的一个小切口)工作的。所以移植就成为了一个轴心点。”“你必须在这个枢轴点上操纵所有的手术器械。我们正在开发一种软件，可以直接处理机器人的运动，让你设置一个套管针的枢轴点。这是我们看到的下一个大事件。客户正在寻找这种功能。”

这种功能已经可以用于手动引导LBR Med机器人。你可以在这段视频播放了46秒．现在，机器人制造商正在努力使它可以用于自动运动。

机器人术中放射治疗装置也许有一天可以在手术过程中提供集中的癌症治疗。(由Sensus Healthcare, Inc.提供)

Ryan说，目前有很多关于活体组织检查、医疗螺钉插入甚至缝合的机器人技术的研究。位于华盛顿特区的儿童国家卫生系统的外科医生展示了机器人缝合活体动物组织的能力，比人手更精确。看看STAR吧缝合的机器人．Activ Surgical, Inc.是一家技术拆分公司，以前Omniboros该公司正在利用机器人技术和机器学习进一步发展外科技术。

美国佛罗里达州Boca Raton Sensus Healthcare公司生产的Sculptura™系统使用LBR Med进行术中放疗(IORT)。这种放射疗法发生在癌症肿瘤的手术切除过程中。通过在手术过程中执行该程序，可以将高剂量的辐射精确地传递到目标区域，同时尽量减少对周围健康组织的暴露。IORT还避免了手术切除肿瘤和常规体外放射治疗之间的通常延迟。

虽然Sensus正在研发的产品仍在等待FDA的批准，但IORT等应用证明了机器人的另一个优势。这些类型的系统降低了人体暴露于辐射的风险，对患者和医疗专业人员都是如此。

只有机器人才有可能
机器人手术还提供了一种没有机器人几乎不可能实现的治疗水平。以瑞士AOT AG为颅颌面外科开发的CARLO®系统为例。这种机器人引导的激光骨切割设备使用KUKA公司的LBR Med来引导激光束到精确的消融位置。

CARLO(用于冷消融机器人引导的激光骨刀)还没有获得FDA的批准。你可以看到卡洛在行动在这个视频的3:40。

机器人激光截骨系统以一种三维的、舌沟交错的方式切割颌骨。当拆卸和重新组装时，这些碎片就像拼图一样拼在一起，不用很多硬件就能固定下颚。

瑞安说:“没有外科医生能将其进行三维切割。”“机器人可以实现没有它们就不可能实现的治疗。”

他说这和脊柱手术中的椎弓根螺钉插入是一样的。

“根据CT模型来排列螺钉，并试图将其放置在偏离中心23度、与骨骼角度35度的位置是非常困难的。而机器人是一个三维运动控制和定位系统。我不认为任何第一代系统会真正插入螺丝。它会对齐它们，然后外科医生会做插入手术。但它节省的时间是巨大的。还没有人发布过产品，但研究人员已经证明你可以做到。毫无疑问，机器人椎弓根系统将会出现。数学实在是太吸引人了。”

的ExcelsiusGPS机器人导航系统来自Globus Medical Inc.的公司负责计算并协助脊柱手术。

机器学习或自动化
对一些人来说，数学是非常引人注目的。加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的研究人员正在开发算法，帮助指导并最终实现手术自动化。加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)电子与计算机工程教授、该校高级机器人与控制实验室(ARCLab)主任迈克尔·叶(Michael Yip)是这项研究的带头人。

我们第一次见到叶是在采访时康复机器人技术．他的实验室正在进行一项有趣的研究，研究兽医的自适应矫形器和机器人的人工肌肉。

随着他在人工智能外科自动化方面的工作，他的想法是使用人工智能和机器学习技术来帮助提高外科机器人的控制精度，达到亚毫米精度，并扩大他们的灵活性，使他们可以到达身体的更多区域。

Yip说:“我们想让外科医生更容易地完成他们的工作，或者创造工具或软件，让外科医生做新的手术。”“自动化不会抢走工作。我们关注那些可以提高吞吐量、一致性和完成速度的任务，并完成那些没有机器人就无法完成的程序。”

Yip设想了一种手术室，机器人执行普通的次要任务，如吸引、冲洗和组织收缩，这些通常是由助理外科医生或第二名外科医生完成的。他说，这没有充分利用外科医生的专业知识。他们可能在治疗其他人。这就是他们想要自动化的原因。

研究人员研究先进的机器人手术设备和机器学习，以提高精确度和灵活性，并自动化常规手术任务，使外科医生可以专注于更复杂的程序，治疗更多的病人。(加州大学圣地亚哥分校提供)

ARCLab的研究人员使用他们自己定制的达芬奇手术系统，为此他们开发了硬件和软件来探索共享自主的水平。该系统有四个机械臂。一只手拿着内窥镜，内窥镜的末端有一个摄像头。其他三个手臂可以握住手术器械，但外科医生一次只能控制两只手臂。Yip说，多余的手臂可以用于这些次要任务。

Yip希望赋予机械臂以智能，这样它们就可以跟随外科医生，并更自主地完成次要任务。他提供了一个例子。

“通过组织收缩，当外科医生切割时，器械可以一次一层地剥离组织。现在，外科医生必须停止解剖，抓住第三只手臂，把组织向后拉一点，然后切换回主手臂。这可能会很乏味，让人在手术室待得太久。对于机器人自动化来说，这些次要或辅助任务风险低，但回报高。”

加州大学圣地亚哥分校也是新外科住院医师的训练基地。未来外科中心提供达芬奇系统、外科模拟器和腹腔镜手术方面的培训。叶的实验室与实习机器人手术的住院医生密切合作。他们要确保他的实验室能解决手术室里真正的问题。

他认为人工智能和机器学习是正确的方法。“我们希望用数据来描述如何实现自动化，而不是让工程师手工做出可能适用于或不适用于所有场景的行为。我们感兴趣的是通过观察外科医生的表现来获取数据。(这时候外科住院医师培训中心就派上用场了。这是一个数据收集的成熟环境。)只有几个例子，机器人必须能够学习一项新技能或任务。这就是所谓的模仿学习，或通过示范学习．我们面临的挑战是，要尽可能少地使用数据进行学习，但要能够在刚刚学到的内容之外进行归纳。”

Yip的实验室正在与美国陆军合作进行一个新项目，他们试图将救生程序自动化。这些都是至关重要的手术，比如在病人窒息前进行气管切开术，或者在几分钟内止血以防止致命的失血。如果军事人员在偏远的地方，比如沙漠或船上，出现了这样的紧急情况，一个小型便携式机器人就会自动执行救生程序，直到医务人员到达。目标是在四年项目结束时开发一个概念验证。

灵活的机器人导管
ARCLab的研究人员也在对用于外科手术的柔性机器人导尿管做出反应。实际上是硬件方面的需求驱使他们专注于软件方面。

Yip说:“我们正在我的实验室里建造我们自己的机器人系统，部分原因是它们可能填补现有设备的需求，但也是探索机器学习和人工智能控制这些设备的一种方式。”“外科医生目前使用这些柔性导管和内窥镜。随着它们变得更薄、更灵活，你控制它们的能力急剧下降，几乎不可能手动控制这些设备。这就是机器人的用武之地。它可以找出这些复杂的控制映射，并恢复那种直观性和可控性。”

该实验室用于控制柔性机器人导管的机器学习方法已经获得专利和许可。

Yip说:“这在一定程度上说明了人工智能和机器学习在机器人仪器的下一堂课中的重要性。”“这些机器人导管真的是所有设备制造商都在推动的领域。”

他举例说，Intuitive Surgical公司开发的一种新型柔性机器人正在等待FDA的批准。根据制造商的新网站，Ion™机器人平台适用于微创周围肺活检。该系统具有一个灵活的、可操作的直径3.5 mm的导管，可以通过外周肺深处的小而难以到达的气道进行经支气管穿刺活检。这视频预览挑逗产品发布．

为了支持微创外科手术的未来，研究人员正在开发毫米大小、可弯曲的机器人导管，以到达人体的远处。(加州大学圣地亚哥分校提供)

Yip说，这就是未来，这些灵活的腔内装置。他的实验室正在研究自己的机器人导管。

Yip说:“我们的机器人导管直径为1到3毫米，这可以说是你能找到的最小的导管。”“这仍然是研究，所以你不会看到任何如此小的生产-目前。但这就是未来。越来越小，所以你作为一个病人在手术中不会有明显的创伤。”

这些机器人导管有很多用途。在之前提到的美国陆军项目中，它们可以作为气囊导管来止血。其他用途包括治疗心律失常的心导管;经尿道途径清除肾结石;经口入路用于喉癌或肺癌筛查和活检;经口胃肠道手术治疗胃酸回流等情况;对于结肠镜检查，当场切除息肉而不是在以后进行第二次手术。

Yip说:“总的来说，一切都在朝着微创、灵活、内窥镜导管类设备发展。”“这已经到了很难由临床医生手动控制的地步，你需要机器人来帮忙。接下来的问题是如何通过编程让机器人知道如何最好地控制这些仪器。我认为机器学习在使用真实数据而不是手工设计这些控制器方面具有巨大优势。”

叶的导管大约有一米半长。事实上，在这个ARCLab柔性机器人导管的视频，你可以看到Yip拿着波动的尖端，机器人电机离导管末端很远，在背景中看起来很模糊。

这些蛇形机器人正在去往其他机器人无法到达的地方。柔性手术机器人正在推进无疤痕微创手术。

操舵向无疤痕
灵活的蛇形机器人已经在手术室里了，令人惊讶的是，在商业间谍暗杀名单．

Flex®机器人系统推进了经口和经肛门手术，以执行传统的直线视线方法难以或不可能可视化和访问的程序。在集成的3D高清摄像机的帮助下，灵活的机器人范围使医生能够看到和穿越解剖曲线，并在通往目标手术部位的路上绕过复杂的内部结构。进入是通过身体的自然孔，如口腔和肛门，不需要外部切口。该系统由Medrobotics Corporation开发和制造。Medrobotics是一家私人医疗设备公司，位于波士顿市中心以南35英里的马萨诸塞州雷纳姆。

机器人手术系统使用一个操纵杆式控制器，先进的3D视觉导航和一个灵活的，可操作的范围，用于微创经口和经肛门手术。(医疗机器人公司提供)

这是一个机器人辅助的平台，意味着医生总是在掌舵。医生使用一个类似于操纵杆的控制器，并在显示屏上观察机器人的进展情况，将灵活的机器人瞄准器导向目标位置。然后将柔韧的手术器械插入导管中，导管沿着镜的长度延伸。一旦在治疗部位形成三角形，手术器械就可以用于抓取、提取或烧灼息肉和病变，也可以用于缝合。

在手术室里观察伸缩机器人系统演示了它在耳鼻喉科手术中的应用。

这种灵活、可操控的机器人内窥镜可以深入到难以触及的解剖区域，如经口手术中的声带和结直肠手术中的乙状结肠底部。

Medrobotics的首席执行官塞缪尔·斯特拉菲斯说:“在过去，这类手术需要进行更多的侵入性手术，需要在皮肤上开切口。”“这些手术既可以是腹腔镜手术，也可以是开放性手术。我们通过使用自然的解剖孔来实现这些无疤痕的手术。”

使用传统的直线工具进行自然孔板加工，往往会受到限制。

Straface说:“通过我们的系统，它可以让你以一个角度的方式从病变上方通过，这是通过自然孔的直器械不可能做到的。”“在某些情况下，它可以显著降低手术的侵入性，在其他手术中，它可以为外科医生提供可能更容易或更快的手术。如果手术时间更短，对病人也有好处。(患者通常处于全身麻醉状态。)

Medrobotics系统结合了两个世界的优点，内窥镜的灵活性和腹腔镜的稳定性，在一个可成形和可操纵的机器人内窥镜。

斯特拉菲斯说:“与柔软的内窥镜不同，我们的内窥镜是刚性的，所以你有一个稳定的手术平台来进行手术。”“你可以一次使用两种仪器，而内窥镜通常只有一种仪器。通过精确控制两个仪器，你可以进行普通的外科手术，需要对组织进行牵引，两台仪器协同工作。”

灵活和可操控的机器人scope配备了3D高清摄像机和特别设计的灵活的手术器械，帮助医生可视化和治疗身体难以触及的区域。(医疗机器人公司提供)

蛇形机器人系统的核心是其相互连接的连杆设计，它利用了一种专有的摩擦管理方法，允许它灵活地符合解剖曲线，但在需要时是刚性的。外部和内部机制的移动是串联的，因为机器人的范围推进到身体。

斯特拉菲斯解释说:“我们的系统实际上是一组通过电缆连接的链路。”“这些链环有非常特定的形状，当你拉绳把它们拉紧时，一个链环和另一个链环之间的摩擦会形成一个刚性系统，链环的形状是什么都可以。然后我们有这个穿过它的内部脊柱。这增加了更多的结构、支撑和刚性。”

机器人内窥镜诞生于卡耐基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的生物机器人实验室(Biorobotics Lab)，实验室主任豪伊·乔赛特(Howie Choset)开发了各种各样的内窥镜用于搜救的蛇形机器人应用，制造和核检查，以及其他应用。2005年，他与人共同创立了Medrobotics。乔赛特和他的联合创始人创建了概念验证，该公司将其开发成Flex系统，并于2014年商业化。通过CE认证，最初在欧洲市场销售。系统收到2015年获得FDA批准斯特拉菲斯表示，该机器人系统在澳大利亚和新加坡也得到了放行。

就在今年9月，纽约大学朗格尼医疗中心的医生们成功地使用Flex机器人系统为一名患者进行了手术，无需传统的切口，就可以移除一处大型的癌前结直肠病变。这是机器人首次用于胃肠道内窥镜检查。在未来，机器人系统可能被用于经阴道妇科手术和微创腹部手术。

机器人微创手术通常意味着更少的失血，更短的恢复时间，以及更少的对周围组织的创伤。机器人为外科手术提供了前所未有的控制、访问和灵活性。不可能的事现在成为可能了。有一天，机器人可以自动化常规的手术任务，这样外科医生就可以专注于更复杂和更多的病人。