医用机器人的研究与发展
【摘要】医用机器人是一个新兴的、多学科交叉的研究领域，是机器人领域的一个研究热点。重点介绍了手术机器人、康复医疗机器人和服务机器人国内外的研究和应用情况，并探讨了未来的发展趋势。
【关键词】手术机器人；康复医疗机器人；医院服务机器人
1.引言
医用机器人是机器人技术、计算机网络控制技术、数字图像处理技术、虚拟现实技术和医疗外科技术的结合，用于实现机器人辅助外科手术、康复医疗和医院服务等功能。医用机器人是目前国内外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一，其发展前景非常看好，美、法、德、意、日等国家学术界对此给予了极大关注，研究工作蓬勃发展。从二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划（IARP）已召开过多届医用机器人研讨会。
机器人在应用上有两个突出的特点：一是它能够代替人工作，代替人进行简单重复，脏乱危险环境，劳动强度大的工作；二是扩展人类的能力，它可以做人很难进行的高细微精密的作业，以及超高速作业等。医用机器人正是运用了机器人的这两个特点，具有选位准确，动作精细，避免病人感染等特点；譬如在血管缝合手术时，人工很难进行细1毫米以下的血管缝合，如果使用医用机器人，血管缝合手术可以达到小于0.1毫米的精度。
医用机器人是一个新兴的、多学科交叉的研究领域，涉及众多领域知识和技术，研究医用机器人不仅能促进传统医疗技术的变革，而且也会对这些相关技术的发展产生积极的推动作用，具有重要的理论研究意义。目前，医用机器人的研制主要集中在手术机器人、康复机器人和医院服务机器人系统等几个方面，本文详细介绍了国内外有关医用机器人的研究现状，并探讨了今后的发展方向。
2.手术机器人
近年来，各种医用机器人的概念和模型被提出和研发；而在众多的医用机器人研究中，手术机器人得到了相关研发人员的重视。手术机器人最早源于美军机器人手术和远程外科计划。1994年，由美国国防部下属的国防高级研究计划局（DARPA）研制成原型机。商业化的手术机器人则最早出现在1994年，由美国Computer Motion公司研制，命名为AESOP；该机器人实质上是一种声控腹腔镜的自动“腹镜手”。1997年3月，比利时布鲁塞尔St Pierre医院利用AESOP系统成功完成第一例腹腔镜手术——胆囊切除术。1998年，Computer Motion公司研制的Zeus系统，Intuitive Surgical公司研制的da Vinci系统，和endoVia公司研制的Laprotek系统分别获得了成功；其中da Vinci系统在国际上影响最大。这三系统均由三大部分组成：医生操纵台，机械手和内镜装置。Zeus系统采用纯信号方式实现医生操纵台对机器臂的控制，在传输距离上不受视频延迟的影响；
2001年9月首次实现跨大西洋（美国纽约-法国斯特拉斯堡）的机器人腹腔镜胆囊切除术。最近，美军正在研究远程微创外科手术机器人，采用da Vinci系统在美国华尔特里德陆军医学中心和约翰霍普金斯医院之间（相距64 km）开展远程手术。
在国内，海军总医院和北航机器人研究所共同开发出智能化远程外科手术系统，被称为“遥操作远程医用机器人”。2002年，首次成功使用该机器人为一脑肿瘤患者做了立体定向活检手术。专家先通过电脑网络接收病人信息，分析病人CT影像，进行手术规划，然后遥控操作手术室内的机器人开始手术；机器人根据专家指令，自动搜索手术部位，并迅速锁定立体定向穿刺路径；20分钟后，成功地取出病变组织。2006年3月，我国首例通过互联网异地操控机器人的骨科手术在陕西延安获得成功；该手术为胫骨髓内钉手术，由1300公里外的北京专家通过互联网远程遥控机器人实施。
微型机电技术的不断深入发展为微小型机器人甚至纳米机器人提供了技术支持，它可以直接进入人体器官内部进行工作，完成组织取样、血管疏通、药物定点放置、微型手术和细胞操作等普通医疗技术和手段无法完成的工作。目前，国内外正在研制和开发体内自主行走式诊断治疗、体内微细手术和体内药物直接投放微型外科手术机器人。
目前医疗外科机器人系统的研究主要集中在几个方面：
(1)机器人机构研究：研究新的机器人本体，以拓宽机器人辅助外科的应用范围。
(2)机器人运动控制和路径规划研究：使机器人的运动精度更高，当运动路径的选取更加科学时，系统整体的安全性就更好。
(3)虚拟现实技术和通讯技术在医疗外科机器人系统中的应用研究：使虚拟临场手术系统更加实用化。
(4)临床应用研究：任一医疗外科机器人系统，在完成系统设计和实验室试验后均需要进行临床应用研究，以确定系统对临床应用环境的适应性。
(5)系统集成研究：在完成系统各组成部分的研制后，通过系统集成研究将各部分有机组织起来，使最终系统的性能获得最佳。
(6)操作界面研究：以进一步提高医疗外科机器人系统的可操作性。为了医生和医疗机器人系统自如的交互，系统应尽可能为医生提供直观的交互平台。
（7)仿射变换研究：建立病人的某种图像信息与人体标准图谱的关系，以较低的成本和较高的速度获得用于规划、导航和仿真系统的病人三维立体模型。
应用外科辅助医疗机器人进行手术，可以极大的提高手术的准确性和可靠
性，它的出现将对现代医学工程的发展产生深远的影响，在医疗手术领域具有广泛的应用前景。外科辅助医疗机器人系统将在应用中不断得到完善，并将改变外科医生处理患者的方法。它不仅会对常规医疗带来一系列的技术变革，而且对临床护理及康复工程等的发展都将产生深远的影响。
3.康复医疗机器人
康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学，生物力学，机械学，机械力学，电子学，材料学，计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。康复治疗机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，不再把机器人当作辅助患者的工具，而是把机器人和计算机当作提高临床康复效率的新型治疗工具。这是一个囊括了生物力学或生物物理化学、竞争运动控制理论、训练技术和人机接口问题等诸多方面的复杂问题。目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。