手术机器人智能人机交互技术的演进分析

赵玉航 谢萍

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心电学部 江苏省徐州市 215000）

1 前言

在医疗机器人中，应用最广泛的是美国直觉医疗公司(Intuitive Surgical)开发的手术机器人达芬奇系统(Da Vinci System)。达芬奇系统中外科医生控制台为医生提供座位、三维内窥镜和立体目镜，医生通过手持式控制器和脚踏板控制手术器械实现手术操作；床旁机械臂系统中机械臂可提供7 自由度，还具有滤除医生手颤和按比例缩放医生动作的震动消除和动作定位系统；成像系统利用内窥镜可提供放大10 倍以上的手术视野，提供高清三维立体影像。

本文的手术机器人可应用于内窥镜手术、骨科、神经外科、血管介入、放疗、眼科、牙科等，不包括胶囊机器人和纳米机器人。

2 重点技术分支的数据分析

本节以S 系统的检索结果为分析样本，共抽取有效的国内专利1272 篇，国外专利1832 篇。

尽管手术机器人由于医疗手术操作相关的数据和功能都存在区别。例如，在放疗手术中的病灶定位、局部温控，在骨科手术中的部位固定及植入物匹配。但同时，数据处理和交互控制在过程上存在相似点。本文着重分析交互控制层面，得到技术分解表如表1所示。

表1：交互控制技术分支表

数据处理按照手术流程分解为导航规划、配准、运动补偿、碰撞检测、识别跟踪、去噪、定位、校准校正。导航规划在术前或术中执行，用于计划如何从患者表面的创口到达病灶或待手术部位。配准用于匹配手术器械的坐标系和患者的坐标系。运动补偿用于对用户的控制操作根据不同的情况进行滤除、缩放等控制。碰撞检测用于对诸如手术区域以外的其它部位进行检测并且在检测到以上部位时进行制动从而保障患者的安全。识别跟踪用于确定指定区域、手术器械的位置和移动。去噪用于滤除数据或通信过程中的噪声。定位用于确定指定位置。校准校正用于对相关数据进行校准。控制功能包括显示界面控制、输入控制、导航控制、模式切换、运动控制、故障控制，分别对以上阶段不同情况时的不同控制。

经标引后统计，如图1所示，数据处理分支中识别跟踪、配准、导航规划、定位和运动补偿的相关专利较多，数量分别是170、162、116、81 和71。如图2所示，控制功能分支中运动控制数量最多，数量为388；其次为输入控制、导航控制和显示界面控制，数量分别为133、114、98。

图1：数据处理的技术分布

图2：控制功能的技术分布

3 技术演进路线分析

本节整理归纳了手术机器人的研发路线。从申请量开始爆发的2001年到2020年间，并以最基础的导航技术为基础制作了技术演进路线图，如图3所示。

图3：导航规划和导航控制的技术演进路线

最初，手术机器人用于术前建模。WO02061688 中通过交互建模器对植入物或骨骼模型进行建模，并对建模后的装配表面进行修改，手术机器人据其生成修改后的模型；US7607440 中通过腹腔镜获取图像数据并创建手术部位的模型，模型用于根据至少两个手术工具选择有利的进入端口位置。此时，手术机器人使用的数据采集设备是腹腔镜。

在发展阶段，手术机器人不仅能够通过图像数据进行术前规划，还能结合传统医学检测设备多方面进行术中指导。US7901357 中利用3D 超声图像数据在外科手术过程中精确地识别周围组织中的目标组织，即使手术环境或目标组织存在噪声，仍能监测和跟踪目标组织。然而，超声设备成本昂贵，为了降低成本，US2012226145利用机械联动传感单元和基于视觉的配准系统进行手术导航，医生能够计划针头轨迹，由机器人沿着关节轨迹计划的路径自动经皮插入针头，从而实现对目标肿瘤的安全和完全消融。

由此开始，手术机器人中引入传感器越来越普遍。一方面，传感器能够在术中采集所需的位置和形状数据。CN105852970A利用主机联接运动执行设备和空间位置传感器，在数字图像上创建包括病灶位置和运动路径的手术规划，由空间位置传感器捕获配套的位置标记单元，由主机完成不同空间坐标系的位置映射。CN107205835A 利用光学形状传感器和腔内移植物血管内部署设备的形状感测、以及心血管系统的医学图像之间的空间配准在心血管系统内进行导航。其次，传感器还能够在术中提供规划的辅助。US2019053859 针对术中实时动态更新植入物的位置与关节松弛和运动范围有关的定量数据，胫骨基板包括一组力传感器，无需在双侧全膝关节置换手术中重新放置所需的底座。

在技术成熟期，手术机器人的执行功能更多更强。CN110769 771 在术前计划中控制机器人的运动和挤出生物墨水，在诸如关节等有限空间的区域内打印具有期望厚度和尺寸的层。US2019083109在整形外科手术中通过自动切割工具的引导使用激光在骨头上形成标记，从而使机器人切割工具在预定的轨迹上沿着标记进行精确切割。CN1082-94814 在患处三维局部图像和指向虚拟靶点的虚拟路径确定时，在虚拟路径上规避虚拟特定组织。

手术机器人的人机交互技术在技术演进的过程中离不开硬件设备的发展，基于此数据处理不断趋于精确，控制功能不断扩展丰富。

4 小结

本文提供了手术机器人的人机交互技术的专利概览，构建了合理的技术分支并进行了统计分析，整理归纳了技术演进路线。

最后，手术机器人的目标是全自动手术、远程手术，其发展依赖于近距离高质量的通信能力、高性能海量数据的处理能力，两者分别与5G 通信和芯片息息相关。