面向微创手术的医疗外科机器人构型综合

    摘 要；在微创手术中，医疗外科机器人可以辅助医生精确定位和提供稳定的手术平台．本文结合医疗外科机器人结构特点和手术适用范围，对适合微创手术的机器人结构进行了构型综合分析．并以此为依据，设计出一种适用于神经外科立体定向手术的机器人，系统已经应用于临床，取得了满意的效果．

    关键词：医疗外科机器人；构型综合；微创手术

1  引言

   微创手术是指相对于传统手术而言损伤更小的一类手术，它借助于各种视觉图像设备和先进灵巧手术器械装备，将手术器械经过小切口进入人体进行治疗或诊断．与传统手术相比，微创手术切口明显减小，因此减少了各种手术并发症，提高了患者术后身心舒适度，缩短了恢复期，降低了住院费用．因此，受到医生和患者的普遍欢迎，是外科手术发展的必然趋势，具有广阔应用前景n]．

   然而，微创手术进一步发展迫切需要解决一些难题．以图像导引微创手术为例，手术中，医生在B超、x光、CT 或MRI图像引导下，将手术器械进入患者体内病变位置．在手术中，由于手部运动的局限性以及长时间准确把握手术工具都会使医生感到非常疲劳．

    机器人技术是解决上述问题的重要途径．与人类相比，机器人具有定位准确、状态稳定、工作尺度范围大、不怕辐射和感染等优势．首先，机器人可以在计算机手术导航系统的引导下，自主的对手术部位进行精确定位．其次，机器人各关节锁紧后可以作为手术器械的固定支架，为手术提供平稳可靠的平台．与传统的工业机器人在结构上相比，医疗外科机器人系统针对性较强，一种结构只适用于一种手术操作，结构上的不同因而也带来了运动学、动力学、控制系统的不同[2]．然而，目前许多医疗外科机器人直接利用工业机器人，系统的可靠性、安全性、可操作性不能满足手术的要求．因此深入研究医疗外科机器人结构特点和手术适用范围，对适合微创手术的机器人结构进行构型综合分析，是十分必要同时也是十分迫切的课题．

2  医疗外科机器人的构型综合(Structuresynthesis of surgical robot)

    机器人是通过其末端执行器来操作物体或工具的，机器人构型综合的任务就是根据被操作物体所要求实现的运动位置和姿态，确定组成机器人结构的关节类型、数目和相对布置情况．为了实现操作任务，对机器人末端一般既有位置要求，又有姿态要求．通常将位置结构部分称为机器人的臂部(手臂)，而将姿态结构部分称为机器人的腕部(手腕)．前者主要用以实现末端的位置，后者则实现末端的姿态．当然手臂在实现末端位置的同时也可能影响到末端的姿态，而手腕在实现末端姿态的同时也可能影响到末端的位置，即末端位置和姿态两者之间存在耦合关系．

    对于面向微创手术的医疗外科机器人，其结构也由手腕和手臂两部分组成，在微创手术中的作用是1)将手腕末端和手术器械定位到切点，2)对手术器械定向，使其穿过切点到达手术部位．定位主要用在切点产生后的手术开始阶段，而将手术器械定向，使其穿过切点却贯穿整个手术的全过程．这两项任务在运动方式(理想情况下，定位是移动运动，定向是旋转运动)和在手术中的应用都不相同．因此一个合理的设计应不仅能完成这两项任务，而且能减小或消除手臂关节和手腕关节在运动中的相互依赖．为了达到这一目的，定位结构(如手臂)和定向结构(如手腕)应采用分离的结构，使其在运动上独立．不仅如此，对于手臂和手腕本身各个自由度的移动或转动，其运动也最好独立，这样可以方便医生的操作和提高手术的安全性．下面将分别对医疗外科机器人手臂和手腕的构型综合问题进行一些讨论．

2．1 机器人手臂构型综合

    对于医疗外科机器人手臂，针对我们前面提到的工作任务，可以总结出设计的一般要求是：

1)易于实现高的定位精度；

2)运动直观性强，易于医生进行人机交互；

3)在相同结构尺寸下，工作空间尽量大；

4)在达到相同工作空间的条件下，手臂本体占

据空间小；

5)是一个平衡结构．

    为了达到空间一定范围内的任意位置，机器人手臂一般要求有三个自由度．根据转动关节R和移动关节P的不同组合，根据手术对机器人结构设计的要求，可以从工作范围大，占据空间小，定位精度高，运动直观性强，运动时对姿态影响小这几个指标对典型的机器人手臂结构形式进行比较，简要对比

    以微创手术要求为标准，圆柱坐标、SCARA型、直角坐标可以被认为是较好的结构形式，目前大多数医疗外科机器人采用这三种结构．例如，瑞士的Swiss Federal学院研究的用于神经外科立体定向手术的机器人采用PPP三正交直角坐标结构[3]，其中的两个关节水平，所以很容易移动(因为重力在这些运动方向上没有分量)．另外一个关节可以用平衡系

统来平衡，因为一般情况下不允许在这个方向上有运动．直角坐标结构的缺点是会导致正交关节变得笨重．从而引起比旋转关节更大的摩擦力和惯性力．PRR是一个SCARA结构，其旋转关节沿水平轴平行．它可以在与操作桌面平行的平面内移动，适用于医疗外科领域的应用，美国Computer Motion公司的Zeus和Aesop机器人手术系统就是采用的这种结构 ]．SCARA结构的缺点是最后一个旋转关节会引起比较大的惯性力，因此末端的精度会受到影响．与直角坐标和SCARA结构相比，圆柱坐标结构的性能与SCARA结构类似，它的工作空间较大而本身体积较小，较高的定位精度和较强的运动直观性决定了这种结构适合于医疗外科领域的应用，美国ntegrated surgical system 公司开发的ROBODOC辅助手术系统就属于这种结构I5]．

2．2 机器人手腕构型综合

   当被操作物体或工具有姿态要求时，就需要在机器人手臂末端联接仅由转动关节组成的实现姿态要求的手腕．为便于控制，减小姿态参数之间的干扰，根据所需要实现的操作来确定手腕转动关节的配置形式是非常重要的．转动关节根据其在结构中的类型可分为滚转关节(图1A所示)，弯转关节(如图lB、C所示)．另外根据转动关节布置方式的不同，分为一个、两个及三个自由度手腕结构．

1)一自由度手腕

   一自由度手腕仅含有一个弯转关节或滚转关节，故其只有两种结构．实际应用中，仅有一个方向姿态要求的操作很少，所以这两种结构很少使用．

2)二自由度手腕

   二自由度手腕应用十分广泛，很多操作都只有两个姿态的要求．二自由度手腕在传动结构方面也比较容易实现．根据弯转和滚转关节的不同组合，二自由度手腕有以下四种结构型式，如图2所示．

3)三自由度手腕

    三自由度手腕可实现任意姿态要求，根据弯转和滚转关节的不同组合，三自由度手腕有多种结构型式．三自由度手腕的传动结构一般需要多对齿轮副，同时，因手腕位于手臂末端，悬伸较远，从而要求其结构紧凑，重量轻，这给手腕的结构设计增加了难度．所以，在确定手腕结构时，在满足姿态要求的前提下，应尽量减少腕部自由度，避免使用三自由度手腕．

    对于面向微创手术的医疗外科机器人，手术器械围绕手腕做球运动对微创外科手术是不可缺少的，因此手腕末端必须具有跟球关节一样的自由度(如图3所示)．一般来说，任何运动结构都必需依靠同时控制至少两个轴的运动才能模拟球结构具有的所有运动．根据以上分析，采用二自由度手腕可以满足手术器械姿态的要求．

3 设计实例(Design example)

    根据对面向微创手术的机器人手臂和手腕的构型综合分析，我们设计了一种适用于神经外科立体定向手术的医疗外科机器人结构．神经外科立体定向手术是通过在颅骨上钻一个小孔，然后在定位系统引导下将手术器械引入脑内，对病灶点进行活检、放疗、切除等操作的一项外科技术嘲．由于这项微创伤外科技术减少了病人的手术危险和心理恐惧，缩短了所需康复的时间，从而得到了病人的普遍接受和医疗领域的广泛重视．在手术中，机器人首先在计算机手术规划系统的引导下到达指定的位置和方向，然后机器人的各个关节锁定，保持当前的姿态．这时机器人不仅是一个导航定位的工具，它同时是一个手术平台，医生通过安装在机器人末端的手术工具进行手术．机器人采用了圆柱坐标结构，一共采用五个自由度，前三个自由度作为机器人手臂主要完成空间位置定位．第一个自由度为旋转关节，它限定了整个机械臂在水平面内的运动范围；第二个自由度为移动关节，这两个关节就形成了一个极坐标，可在水平面内达到运动范围内的任意位置；第三个自由度也为移动关节，它是沿着竖直方向的运动，限制了机械臂在竖直方向的运动范围；而后两个转动自由度作为机器人手腕主要实现空间的任意姿态，整个结构如图4所示．这样，五个自由度就能完成活动范围内

的空间任意姿态的定位，达到脑外科立体定向手术的要求．

    在反复实验的基础上，我们开展了机器人在立体定向手术上的临床应用．1999年4月20日在海军总医院，采用医疗外科机器人系统，进行了我国首例机器人辅助脑部肿瘤微创外科手术．至今在海军总医院现已实施400余例多种微创立体定向外科手术，成功率100 9，5 L7]．依靠机器人施行的脑手术，病人都在清醒状态下进行的手术，半小时左右手术即完成．术后3到5天，大部分病人就可走出医院，实现了微创伤，缩短了病人术后恢复时间，手术费用也较低．

4  结论(Conclusion)

    通过分析医疗外科机器人在微创手术中的工作特点，我们对一般机器人的手臂和手腕结构进行了构型综合，总结出几种适用于微创手术的医疗外科机器人构型．在此基础上，设计出一种圆柱坐标结构医疗外科机器人．通过大量的实验测试、手术模拟和临床应用，结果表明由这种结构的机器人，结构简单，定位精度高，工作空间合理，操作简便，完全满足微创手术的要求．