机器人+腹腔镜 让手术更微创

　　微创手术，顾名思义就是"微小"创伤的手术，实质上是外科手术的微创化。如今，微创手术正逐渐取代传统的开放式手术，这类的手术给患者造成的切口更小，可以减少患者术中负担，缩短恢复时间，而且术后留下的伤疤小。

　　微创手术主要是通过人体自然孔腔道或手术小孔伸入特制的手术器械（如腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备）到达病灶，从而在病人体内进行手术。

　　腹腔镜手术器械的发展迎来巨大挑战和机遇

　　上世纪九十年代以来，一系列外科手术机器人系统的面世增强了外科医生实施微创手术的能力、提高了手术的效率。目前，腹内的手术从较早的开放式手术发展到微创腹腔镜手术并成为常术式普及到各个医院。

　　腹腔微创机器人手术需在患者腹部开三个以上5~12 mm的切口，将戳卡置入切口，内窥镜和手术器械则通过戳卡伸入腹腔内，完成腹腔微创手术所需的操作。其中一个切口插入直径约为12 mm的内窥镜，其他切口插入各类手术器械。内窥镜伸入腹腔内，将内窥镜拍摄的图像信息运用数字摄像技术传至后级信号处理系统，将病人患者腔内图像信息通过二维或三维的方式实时的显示于监视器上。医生经显示器上呈现的患者腔内不同角度图像，分析判断患者腔内情况同时了解手术器械的位姿状态，并通过主手操纵腹腔微创手术器械进行腹腔微创手术机器人手术。

　　然而，高级手术机器人能实施复杂的外科微创手术，但造价昂贵、使用与维护成本高，以达芬奇手术机器人为例，成本超过千万，手术器械耗材达3~5万元/次，此外，还需要对使用者进行专业的操作培训。因此，这种器械难以对大众普及。至此，腹腔镜手术器械的发展迎来了新的机遇和挑战。

　　传统的腹腔镜器械通常自由度非常有限，其末端执行器只能执行打开、关闭和旋转三个动作。在实际使用中，远端灵活性的降低、手眼协调性逆转、有限的术中视野和不灵敏的触觉感知也给外科医生的手术操作带来了困难，容易引起误操作，降低了手术的效率。因此，迫切需要开发一款兼具操作简单与多自由度末端的小型手术器械。

　　目前，国内外多个机构分别开发了便携式微创腹腔镜手术机器人。其中，美国的FlexDex手术器械、韩国的ArtiSential手术器械和以色列的HandX手术器械已成功上市。但这类器械的研发尚处于发展的初期，线驱动带来的松弛与使用寿命问题、末端功能单一和手端人机交互的操作简易性等问题，仍然影响这类器械的广泛使用。此外，由于多种原因，此类设备尚不能进入国内市场，进一步限制了其在国内的应用推广。

　　西安交通大学团队研发新型便携式微创腹腔镜手术机器人取得突破性进展

　　在西咸新区秦创园春种投资基金支持下，在西安交通大学机械工程学院机器人与智能系统研究所与西安交通大学第一附属医院医工交叉有关手术机器人器械合作的背景下，西安交通大学张勇教授、朱子才副教授联合西安上善福缘健康管理咨询有限责任公司成立了陕西阔维智动机器人科技有限公司，开发了一种新型便携式微创腹腔镜手术机器人。

张教授团队关于便携式微创腹腔镜手术机器人的研讨会

　　这种手术机器人提出将手持操作方式和多自由度末端相结合，突破手术机器人系统应用的局限性，研究发展多自由度末端、操作手和主从控制技术，解决微创手术器械末端灵活性差、操作手控制不协调，不适应医生操作习惯等问题，实现适用于小型腹腔镜手术的手术机器人设计。

　　西安交通大学所研发的便携式微创腹腔镜手术机器人样机实物如图4所示，从简单到复杂分为机械型、电动型以及电动型升级版。

西安交通大学所研发的便携式微创腹腔镜手术机器人样机实物图（A: 机械型；B: 电动型；C: 电动型升级版）

　　机械型：机械型微创手术机器人是纯机械运动传递机构，由手端控制模块、线驱动机构和功能末端三部分构成，在机器人手术机械臂末端执行器研究、操作手设计与钢丝绳驱动研究方面进行了调试和优化。

　　电动型：电动型微创手术机器人是利用电机驱动力和线驱动机构控制功能末端的运动，形成多功能可替换末端的电动型腹腔镜手术机器人，在电机驱动主从控制研究、机器人手术机械臂性能研究方面进行了调试和优化。

　　在一次腹腔镜手术过程中，需要使用到多种功能末端，例如：针持、各式抓钳、打结钳、固定钳、牵引钳、弯剪、钩剪等，仅就剪刀细分种类就达十余种。因此，在电动型手术机器人基础上，设计了一款前端可快速更换的电动型手术机器人，如图所示，在前端增加了卡扣设计，可实现末端自由更换。

　　新型便携式微创腹腔镜手术机器人优势

　　机械型机器人：

　　总重312 g，末端拉力可达到1 N，轻便小巧，结构简单，便于操作；

　　弧形掌托，两指捏合操作模式，操作更舒适、直观；

　　末端执行器自由度多，操作灵活；

　　造价较低。

　　电动型机器人：

　　在机械款的基础上，保留了末端执行器自由度多的特点；

　　采用电机驱动方式；

　　解决姿态保持的问题；

　　增加了防抖功能；

　　增加了可以快速更换的结构。

　　相比于售价动辄百千万的大型手术机器人，这种既灵巧又具有性价比的器械装置，为微创手术提供了一个新的选择。同时，张教授团队也在谋求更多的创新已实现便携式微创腹腔镜手术机器人在临床手术中更为优秀的表现。

　　触觉反馈技术是便携式和高级手术机器人未来发展的重要趋势之一，也是该团队便携式腹腔镜手术机器人的重要技术增长点。团队在柔性智能感知和驱动材料领域具有丰富积累，目前已申请专利多项，相信在不久的将来，新一代智能型的携式微创腹腔镜手术机器人可以使人手感受到末端的接触力，从而大大提高手术操作的精度和安全性。

　　未来已来，让我们拭目以待！

　　团队负责人介绍

　　张勇：教授，医学博士，西安交通大学第一附属医院（国家医学中心）主任医师，博士研究生导师。现任肿瘤外科主任。兼任西安交通大学机械学院硕士研究生导师。2000年毕业于西安交通大学医学院，2002年攻读硕士学位期间成为我校跨学科（外科学-肿瘤学）提前攻读博士学位的首位研究生，2003年作为我校第一位联合培养的医学博士生被选拔到日本大阪大学医学部攻读博士学位。2007年获陕西省自然科学优秀科技学术论文一等奖(排名第一)，2009年获陕西省青年突击手称号，2010年获第八届陕西青年科技奖，2011年获第十届陕西青年五四奖章提名奖，2011年获得中华医学会颁发的“中华肿瘤明日之星”称号，科研成果获得陕西省教委科技进步一等奖(排名第一)，陕西省科技进步三等奖(排名第一)。多年来获得日本文部省奖学金（JASCO），澳洲及亚太肿瘤学会奖学金（ACORD）,英国癌症研究会奖学金（CR-UK），瑞士肿瘤基金会青年学者奖（SONK。主持国家自然科学基金2项，教育部博士点基金，教育部人文社科基金及陕西省自然科学基金8项，参编专著1部，主译专著2部，在国际期刊发表研究论著31篇（SCI）。拥有多项发明专利，主持多项跨学科肿瘤临床试验研究，担任多本国际期刊审稿专家。

　　朱子才：副教授，博士生导师，项目负责人，就职于西安交通大学机械工程学院。长期从事智能材料驱动结构研究，2002年至2013年获得西安交通大学学硕博士学位，先后任职于中科院苏州纳米所、日本产业技术综合研究所和塔图大学工学院，承当国家自然基金、创新特区、中船重工第715研究所和华为技术有限公司等国家、研究所和企业等十余项研究课题，获得华为技术有限公司资助的西安交通大学“思源学者”人才基金，在智能材料及其医疗器械领域应用有多项研究成果，发表SCI论文40余篇，申请专利30余项，合著4本学术专著。(作者：张振华)