访谈|不仅美国有达芬奇Single Port，韩国也有！Dong-Soo Kwon教授谈柔性内窥镜手术机器人

2018年9月3日，韩国先进科技学院（KAIST）的Dong-Soo Kwon教授访问北航机器人研究所，并做题为“柔性内窥镜手术机器人”的专题报告。

一、手术机器人的研究热点

传统外科开放性手术的侵袭性（Invasiveness）普遍较大，创伤大，术后恢复慢，感染风险高，医生们也开玩笑称：“Excellent surgeons make beautiful scars” （优秀的医生创造美丽的疤痕）。所以，减小侵袭性一直是外科手术研究的重点。

另一方面，外科手术对医生双手操作的稳定性要求极高，但是人类自身的生理性震颤（Tremor）一定程度上约束了手术操作准确性的提高。由此，引入稳定的机器人操作手替代医生双手成为提高手术操作准确性的有效方法。

综合两者，小侵袭性的手术机器人始终保持着较高的研究热度，也由此产生了腹腔镜手术机器人、内窥镜手术机器人和显微手术机器人等热门研究方向。

1、腹腔镜手术机器人

腹腔镜手术（Laparoscopic Surgery）是借助腹腔镜的现代微创手术方法，将传统开放性手术的15-20cm的切口减小到2-3个0.5-1.5cm的切口，手术创伤小、恢复快、病人痛苦小，一般外科手术都可用腹腔镜手术替代。

达芬奇手术机器人系统（Da Vinci Surgical System）是腹腔镜手术与机器人技术结合的代表。医生可在系统的控制台对床旁机械臂进行遥操作，机械臂安装了10倍放大倍率的3D腹腔镜，能帮助医生观察体内结构，准确操作。

图1  达芬奇手术机器人系统[1]

2、内窥镜手术机器人

内窥镜手术（Endoscopic Surgery）是以软式内窥镜为治疗工具，不经皮肤切口，经人体自然腔道进入人体治疗的全新微创治疗方式，与脏器接触较少，麻醉风险低。内窥镜手术机器人使用多功能内窥镜平台，通过控制通道内的电刀、机械手、内窥镜等装置，准确探明病灶位置并准确切除。

图2  USGI 多功能内窥镜平台[2]

3、显微手术机器人

显微手术（Microscopic Surgery）是利用光学放大设备和显微外科器械进行精细手术，例如缝合微血管，连接神经等，操作对象的大小多为毫米级。显微手术机器人可以有效提高手术的精确度，有研究成果表明，Microsure手术机器人已经可以缝合直径0.3-0.8毫米的血管。



图3  Microsure手术机器人[3]

二、柔性内窥镜手术机器人的研究动机与背景

达芬奇手术机器人在手术过程中，机械手（EndoWrist）通过刚性杆安装在各机械臂定位机构上，可以自由伸缩，利用机械臂调整端部执行机构的空间姿态。由于机械臂可调整的角度空间有限，限制了机械手的运动角度，同时，机械手安装杆刚度很高，无法对体内器官进行有效的避让，均造成了机械手在体内可以到达的空间受限制。另一方面，腹腔镜手术虽已将手术创口的大小显著减小，但是术后仍然会在体表留有2-4个切口疤痕，影响术后恢复时间和美观。

柔性内窥镜手术机器人是可以解决上述局限性的解决方案。通过内窥镜，可以将机械手经过人体自然腔道送入体内，无需进行体外切口，保持术后美观性和加快术后恢复速度。

但是，由于内窥镜重量较大，难以精细操作，直接使用内窥镜对机械手进行控制难度较大，需要开发连续机器人（Continuum Robot）机械手。这样就可以用内窥镜将连续机器人送至病灶附近，由连续机器人的伸缩和弯曲带动机械手在体内的运动，完成手术动作。连续机器人具备一定柔性和优异的灵活性，可以对体内器官进行有效避让，扩大机械手在体内能触及的范围。





图4  达芬奇手术机械手[4]（上）和内窥镜手术机械手[5]（下） 

三、柔性内窥镜手术机器人发展

1、显微手术遥控机器人

显微手术要求医生在显微影像下和使用手术器械进行精细的手术操作，包括小侵袭性的腹腔镜和内窥镜手术、眼科手术、脑部手术、微脉管手术等。同时，考虑到有的手术需要在远离医生的地点进行（例如太空、战场、急救车等），有的手术环境对医生不安全（例如X射线、或者传染病患者），需要研制显微手术遥控机器人，使医生可在远离病人的地点完成显微手术。

Dong-Soo Kwon教授于1998年推出显微手术遥控机器人系统（Microsurgical Telerobot System），由两部分组成：外科医生操作的主动控制器和实际执行手术操作的从动手术机器人，如图5所示。当医生操作主动控制器时，从动机器人会根据控制器指令做出相应的动作。

手术机器人采用Stewart并联平台的形式，具备6自由度，工作空间达到20mm* 20mm* 20mm，精度达到0.02mm。采用力和位移的双边控制，从动机器人可跟随主动控制器运动，从动机器人与环境接触力可以通过主动控制器反馈至医生双手。加入扰动观测器（Disturbance observer）消除主动控制器的摩擦力、重力和耦合惯性矩对医生感知手术机器人接触力的影响。

图5  6自由度并联式从动机器人[6]

2、腹腔镜协助机器人KaLAR

常规腹腔镜手术器械的机械手多连接在细长的硬杆端部，根据腹腔镜影像移动机械手。手术过程中，主刀医生受手术器械活动区域小、灵活性低、与器官触感的缺失、视野狭窄等诸多限制，往往手术时间较长，需要专门培训主刀和协助医生，以掌握腹腔镜手术技能和加强医生间协作。但是，手术效果仍然会受医生双手的疲劳、震动以及医生之间的操作干涉影响。

2004年，Dong-Soo Kwon教授推出了腹腔镜协助机器人系统（Kaist Laparoscopic Assistant Robot，KaLAR），由该机器人代替协助医生进行腹腔镜操作，主刀医生可以根据自己视野的需求灵活控制安装在KaLAR上腹腔镜的视野，单人即可完成手术，避免多位医生之间的不协调操作，提高手术效率。

如图6，KaLAR将原先手术器械中硬杆的前端增加了2自由度的弯曲机构，内窥镜在体内可以实现上下和左右方向各60°的弯曲角度。体外设计了1自由度直线驱动机构，控制内窥镜进入人体的深度，形成3自由度内窥镜模块。在手术床边设置2自由度拱形机械臂，调整前述模块的方向，提供左右80°，上下85°的调整角度，扩大内窥镜在腹腔内的运动范围。最后，为KaLAR和医生之间建立智能交互，在控制系统中加入腹腔镜手术知识模型，通过医生的语音控制，KaLAR会根据现在手术的进程将腹腔镜自动调整至医生需要视野。

图6  KaLAR机器人[7]

3、内窥镜手术机器人K-NOTES和PETH

随着自然腔道内窥镜手术（Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery，NOTES）的发展，可以使用内窥镜从人体自然腔道进入体内手术，体表无疤痕，减小失血和疼痛，缩短术后住院时间。内窥镜自身灵活性差、操作时间长均已引起操作失误，制约该项手术的发展。

Dong-Soo Kwon教授针对内窥镜手术，于2013年设计了采用模块化铰链的柔性外套管，易于拆卸和维护。外套管可由外部驱动装置带动实现近90°的弯曲，也可以实现S形弯曲。中间预留3个通道，可以插入1个内窥镜和2个手术工具，也可以预留二氧化碳输送通道，便于手术时形成气腹。外套管采用PEEK工程树脂，单位质量刚度高，峰值输出力15N。之后，在此基础上开发了双臂内窥镜手术机器人系统K-NOTES。但是，外套管的直径为23mm，使用于经直肠入路的内窥镜手术较为困难，需要将外径减小。



图7  外套管（上）和K-NOTES机器人 [5]（下）

减小外套管的外径尺寸后，仅留单个通道插入机械手，并将外套管模块化，可以快速安装在传统的内窥镜外侧，形成便携式内窥镜工具操作器（Portable Endoscopic Tool Handler，PETH）。在离体动物实验中，PETH安装在胃镜外侧，总直径约18mm，医生使用游戏手柄控制PETH成功完成7次内镜粘膜下剥离术（Endoscopic Submucosal Dissection，ESD）。

由于单个机械手操作仍有不便，所以继续改进提出了具备双操作手的PETH系统，该系统集成两个连续机器人手臂，手臂中心留有穿过手术器械的孔道，由此带动手术器械运动。另外，预留了内窥镜孔道，可以直接使用市场上现有的内窥镜和手术器械，模块化程度高，便于医生使用。



图8  初代PTEH系统

图9  改进版PETH系统

4、柔性内窥镜手术机器人 K-FLEX

K-FLEX机器人的外套管采用新型铰链设计，承载能力增强，搬运150g负载，在手术时可以对器官进行有效支撑和挪移。同时，K-FLEX保持了优异的弯曲能力，可以实现各方向的弯曲，弯曲角度近180度，也可以实现S型弯曲。内部植入内窥镜和两个基于连续机器人的机械手，内窥镜与机械手不共面，可保持对机械手的较好观测，避免机械手工作时“出框”的现象。两个机械手同时具备伸缩和双方向弯曲的自由度，使操作工间明显增大，灵活性显著提高。目前，K-FLEX已经开展针对耳鼻喉科手术（ENT Surgery）的试验研究。

2018年6月29日，在伦敦举行的世界手术机器人挑战赛（Surgical Robot Challenge 2018）中，K-FLEX战胜美国、德国、意大利、荷兰和瑞士代表队，一举夺冠，获得最佳应用奖（Best Application Award）。

图10  K-FLEX机器人

四、在研的技术方向

1、操作直观并拥有触觉感知的主动控制器

目前，Dong-Soo Kwon教授的研究团队改进了主动控制器的结构，相较于成熟的商业产品，改进控制器的工作空间扩大了19%。精简了控制器结构，避免过度使用电动机等驱动装置，以有效降低移动部分的总质量和惯性矩，这将有效减轻操作医生的疲劳。在实验中，医生先后使用改进控制器和商业控制器对腹腔镜手术机器人进行控制，医生表示改进后的控制器使手术操作更加直观，方便易用。

下一步，团队将继续研究为改进后的主动控制器引入触觉感知的反馈。在手术中，医生通过主动控制器遥控从动机械手对患者进行手术。加入触觉感知后，通过对器官表面3D纹理和接触力的采集，并通过主动控制器复现给医生的双手，使医生在遥控机器人时也能感受到与器官的触碰力以及表面凹凸不平的纹理，这将有效辅助医生的手术判断和操作。

图11 改进型主动控制器[8]（上）和触觉重现装置[9]（下）

2、手术机器人的自动化

虽然腹腔镜、内窥镜手术可以有效减小切口大小，但是手术中医生需要使用主动控制器进行频繁的重复手术操作，例如组织的切除和缝合等，引起医生的过度疲劳。所以，非常有必要提高手术机器人的自动化程度，使其可以自主完成部分手术操作，减轻主刀医生的工作负荷。目前，Dong-Soo Kwon教授的研究团队基于内窥镜影像，采用随机路标图（Probabilistic Roadmaps ）和强化学习算法（Reinforcement Learning），针对手术机器人执行自动组织切除，提出了具备避免碰撞周边器官功能的路径规划方法。

在手术模拟器中，机器人实现了自动胆囊切除术（cholecystectomy）。但是，由于模拟器的手术环境进行过简化，远没有真实的人体环境复杂和难预测，所以要继续在更加真实的实验环境中对手术机器人的自动化方法进行验证和改进。

图12  模拟自动胆囊切除术[10]

3、研究成果转化

2018年，Dong-Soo Kwon教授带领团队的8名成员，创立了EasyEndo Surgical公司，专注于内窥镜手术机器人研究。 目前，该公司与韩国先进科技学院未来医疗机器人研究所开展包括K-Flex在内的多项合作，发现该目的潜在增长点，积极开展国际合作和投资，促进项目产品化和市场化。

在被问及关于前沿科技和市场需求平衡的问题时，Dong-Soo Kwon教授表示在探求前沿科技时不能仅为发表高水平论文，要着眼于实际应用中的局限和不足进行技术攻关，这样不仅可以收获论文等学术成果，还可以切实有效的改进产品性能，为未来的产学研结合和产品市场化奠定坚实的技术基础和人才力量。

五、Dong-Soo Kwon教授简介

Dong-Soo Kwon，1991年获美国Georgia Institute of Technology工学博士学位，目前是韩国先进科技学院（KAIST）机械工程学院教授，人机交互研究中心主任，未来医疗机器人研究所主任，是美国电气和电子工程师协会（IEEE Robotics and Automation Society）管委会成员，内窥镜手术机器人公司EasyEndo Surgical的创始人兼CEO。研究领域包括医疗机器人、机器人触觉感知和人机交互等。



参考文献

[1] http://www.xtecher.com/Xfeature/

view?aid=919

[2] http://usgimedical.com

[3] https://www.sohu.com/a/

198108881_673742

[4] https://www.intuitive.com

[5] M. Hwang et al., URAI 2014

[6] D.S. Kwon et al., 1998 IEEE/RSJ Intl. Conference on Intelligent Robots and Systems

[7] W.H. Shin et al., SICE-ICASE International Joint Conference 2006

[8] H. Lee et al., Int J Med Robotics Comput Assist Surg, 2018

[9] S.C. Kim et al., IEEE Transactions on Haptics, 2018

[10] D. Baek et al., 2018 Intl. Conference on Ubiquitous Robots (UR)

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