1 引言
医用机器人、医学机器人及医疗机器人英文名称虽然相同，都是高科技的产物。但在中国常常混为一谈，它们是既有区别又有联系的。为此，笔者就分别简单介绍一下它们的慨念区别及其今后的发展趋势。
2 医学机器人
医学机器人是多学科研究和发展的成果,是指被应用在诊断、治疗、康复、护理和功能辅助等诸多医学领域的机器人。九十年代医学界把医学机器人分为宏观机器人、微型医学机器人和仿真机器人等[1]。
（1）宏观机器人
宏观机器人主要包括：康复机器人和外科手术机器人。康复机器人主要涉及到医院机器人系统、家庭日常生活护理机器人，智能轮椅等，而外科手术机器人应用的领域主要是：脑外科手术机器人、眼外科手术机器人、脊柱手术机器人等。
（2）微型医学机器人
外科手术机器人的应用领域主要分为：微创外科手术机器人和手术中影像引导医用机器人。影像引导外科手术主要包括：矫形外科手术、脊柱外科手术、神经外科手术等。其最典型的影像引导机器人外科手术是耽关节修复手术的自动植入手术，手术所用的就是人工关节置换手术机器人。还有一个典型应用例子是脑神经外科中穿刺插管的诱导手术，由脑手术穿刺机器人来进行穿刺手术，用机器人控制中心借助于 X-CT 计算出实验数据，然后由穿刺机器人执行穿刺手术。影像引导机器人外科手术的发展关键是机构的控制，虚拟现实环境和先进人机交换技术的发展。
（3）仿真机器人
能用于临床教学的仿真机器人也属于医学机器人的范畴。通过程序参数的设置，它可以被调试成不同的年龄、身体状态，并且能模仿所有的内科疾病。抽搐：医师可通过软件让机器人患病模拟抽搐的情况；出血和伤口：机器人内有血液储藏器，针对失血等情况会出现各种生命体征反应；分泌：根据化学、生物、核武器、放射性武器及高爆炸性受伤的反应机器人可以从眼睛、耳朵、鼻子、嘴和前额分泌血液、黏液、脑脊髓液、汗液等；自动药物识别系统：系统会自动识别药物和使用剂量，而机器人会自动作出相应的药理反应；眼睛和瞳孔：眼睛可慢速、正常或快速地眨眼,瞳孔直径自动对光作同步或不同步反应；静脉通道：除了可在右手臂作静脉注射，医师可在胫骨和胸骨进行骨髓穿刺。医生及时为其抢救。如果药物选择不正确，或用药浓度、剂量不对时，机器人的“病情”就将加重甚至死亡，以达到临床模拟效果。
另外，还有一种机器人叫生物机器人（Plasmobot）。它可以说是高级的仿真机器人，是利用单细胞打造成的，具有特殊功能特性的机器人，它们能够完成普通仿真机器人所不能完成的任务，生物机器人被设计成通过光和电磁刺激来激发化学反应。生物机器人是能够象人类一样进行感知、思维、判断的医学机器人，这是医学机器人的发展方向。
3 医用机器人
医用机器人是指用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人，是我国现在流行说法。是一种智能型服务机器人，它能独自编制操作计划，依据实际情况确定动作程序，然后把动作变为操作机构的运动。分为多种类型。医用机器人种类很多，按照其用途不同有：运送药品、移动病人、临床医疗用机器人、护理机器人、康复机器人、护理机器人及医用教学机器人等[2]。
3.1 运送药品
运送药品机器人可代替护士送饭、送病例和化验单等，较为著名的有美国TRC公司的Help Mate机器人。
3.2 移动病人
移动病人机器人主要帮助护士移动或运送瘫痪、和行动不便的病人，如英国的PAM机器人；
3.3 临床医疗用机器人
临床医疗用机器人包括外科手术机器人和诊断与治疗机器人，可以进行精确的外科手术或诊断，如日本的WAPRU－4胸部肿瘤诊断机器人；美国一种手术机器人“达芬奇系统”，这种手术机器人得到了美国食品和药物管理局认证。它拥有4只机械触手。在医生操纵下，“达芬奇系统”精确完成心脏瓣膜修复手术和癌变组织切除手术。美国国家航空和航天局计划将在其水下实验室和航天飞机上进行医用机器人操作实验。届时，医生能在地面上的电脑前就可以操纵水下和天外的手术。美国医用机器人还将被应用于军事领域。2005年，美国军方投资1200万美元研究“战地外伤处理系统”。这套机器人装置被安放在坦克和装甲车辆中，战时通过医生从总部传来的指令，机器人可以对伤者进行简单手术，稳定其伤情等待救援。
3.4 康复机器人
为残疾人服务的机器人又叫康复机器人，可以帮助残疾人恢复独立生活能力，如美国的Prab Command系统。
3.5 护理机器人
英国科学家正在研发一种护理机器人，能用来分担护理人员繁重琐碎的护理工作。新研制的护理机器人将帮助医护人员确认病人的身份，并准确无误地分发所需药品。将来，护理机器人还可以检查病人体温、清理病房，甚至通过视频传输帮助医生及时了解病人病情。
3.6 医用教学机器人
医用教学机器人是理想的教具。美国医护人员目前使用一部名为“诺埃尔”的教学机器人，它可以模拟即将生产的孕妇，甚至还可以说话和尖叫。通过模拟真实接生，有助于提高妇产科医护人员手术配合和临场反应。
4 医疗机器人
医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，具有重要的研究价值，在军用和民用上有着广泛的应用前景，是目前机器人领域的一个研究热点。医疗机器人主要用于伤病员的手术、救援、转运和康复。
早期我国一般称呼“医学机器人”较多，相对这三种叫法，意义更广，是广义叫法。现在流行说法一般以“医用机器人”称呼为主。由于“医疗机器人”应用较多，它是侠义称呼。其中比较著名的是“达芬奇”手术机器人。
5 手术机器人
5.1 机器人手术系统
手术机器人可以说就是机器人手术系统。是早期“医学机器人”中的宏观机器人，又是现在“医用机器人”中的“临床医疗用机器人”更是“医疗机器人”在手术中的运用。机器人手术系统是集多项现代高科技手段于一体的综合体，主要用于心脏外科和前列腺切除术。外科医生可以远离手术台操纵机器进行手术，完全不同于传统的手术概念，在世界微创外科领域是当之无愧的革命性外科手术工具。利用机器人做外科手术已日益普及，美国仅2004年一年，机器人就成功完成了从前列腺切除到心脏外科等各种外科手术2万例。利用机器人做手术时，医生的双手不碰触患者。一旦切口位置被确定，装有照相机和其他外科工具的机械臂将实施切断、止血及缝合等动作，外科医生只需坐在通常是手术室的控制台上，观测和指导机械臂工作就行了。该技术可让医生在地球的一端对另一端的患者实施手术。目前最普通的机器人外科手术是前列腺切除术。2000年，机器人做的外科手术达1500例，而2004年，机器人已实施了2万例手术。
5.2 达芬奇机器人
达芬奇手术机器人简称达芬奇机器人。它当然也是一个系统，达芬奇外科手术系统是一种高级机器人平台，其设计的理念是通过使用微创的方法，实施复杂的外科手术。达芬奇机器人手术系统以麻省理工学院研发的机器人外科手术技术为基础。Intuitive Surgical与IBM、麻省理工学院和Heartport公司联手对该系统进行了进一步开发。2000年7月11日通过美国FDA市场认证。FDA已经批准将达芬奇机器人手术系统用于成人和儿童的普通外科、胸外科、泌尿外科、妇产科、头颈外科以及心脏手术。其中FDA是食品药品监督管理局（Food and Drug Administration）的简称。FDA有时也代表美国食品药品监督管理局。FDA由美国国会即联邦政府授权，是专门从事食品与药品管理的最高执法机关，也是一个由医生、律师、微生物学家、化学家和统计学家等专业人士组成的致力于保护、促进和提高国民健康的政府卫生管制的监控机构。其它许多国家都通过寻求和接收 FDA 的帮助来促进并监控其本国产品的安全。达芬奇外科手术系统是一种高级机器人平台，其设计的理念是通过使用微创的方法，实施复杂的外科手术。之所以取名“达芬奇系统”，是因为制造者认为达·芬奇于1495年即设计了仿人型机械，因此是世界上第一台机器人的发明者。简单地说，达芬奇机器人就是高级的腹腔镜系统。大家可能对现在流行的微创治疗手段如：胸腔镜、腹腔镜、妇科腔镜等有所了解，达芬奇机器人进行手术操作的时候也需要机械臂穿过胸部、腹壁。截至2014年12月31日，全球共有3266台“达芬奇系统”，其中美国2223台，欧洲549台，亚洲350台。浙江大学医学院附属第一医院的达芬奇机器人单机手术量蝉联全球第一，再次刷新了“世界纪录”。截至2016年12月31日，浙大一院的达芬奇机器人共完成了1957台手术，数全球最忙、最勤劳的手术机器人。
5.2.1 达芬奇机器人的组成
达芬奇机器人由三部分组成：外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统（如图1所示）。
（1）外科医生控制台（如图2所示）
主刀医生坐在控制台中，位于手术室无菌区之外，使用双手（通过操作两个主控制器）及脚（通过脚踏板）来控制器械和一个三维高清内窥镜。正如在立体目镜中看到的那样，手术器械尖端与外科医生的双手同步运动。
床旁机械臂系统（Patient Cart）是外科手术机器人的操作部件，其主要功能是为器械臂（在我国俗称：“八爪鱼”）和摄像臂提供支撑。助手医生在无菌区内的床旁机械臂系统边工作，负责更换器械和内窥镜，协助主刀医生完成手术。为了确保患者安全，助手医生比主刀医生对于床旁机械臂系统的运动具有更高优先控制权。
成像系统（Video Cart）内装有外科手术机器人的核心处理器以及图象处理设备，在手术过程中位于无菌区外，可由巡回护士操作，并可放置各类辅助手术设备。外科手术机器人的内窥镜为高分辨率三维（3D）镜头，对手术视野具有10倍以上的放大倍数，能为主刀医生带来患者体腔内三维立体高清影像，使主刀医生较普通腹腔镜手术更能把握操作距离，更能辨认解剖结构，提升了手术精确度。
5.2.2 达芬奇机器人适应科室
腹腔镜技术被越来越广泛地应用于泌尿外科手术，这一微创的手术方式适用于许多常规的泌尿外科手术，如肾切除、肾上腺切除、输尿管切开、膀胱肿瘤切除、前列腺肿瘤切除等。但由于泌尿系统解剖学上的特殊性，限制了腹腔镜技术的普及和推广，一些复杂的手术往往难以掌握，而且手术并发症发生率较高。目前国内的孙颖浩教授已经能很好的运用手术机器人独特的深部操作和精细操作的技术优势广泛应用于各种泌尿外科手术，包括前列腺癌根治、肾切除、肾盂成形、全膀胱切除、输精管吻合、输尿管成形、活体供肾切取等。其中，前列腺癌根治术是最能体现其技术优势的手术，手术机器人提供宽阔视野和准确、灵活的控制能力，能够清楚呈现组织、器官的解剖构造和神经血管束的走行，精细的分离有利于淋巴结的清扫，准确的缝合保证了吻合的高质量，手术中精确保留前列腺侧筋膜，有利于减少手术对患者性生活的影响，术后病理检查和随访都显示了良好的肿瘤切除效果。自2000年开展首例手术机器人前列腺癌根治性切除以来，该术式在国外得到迅速推广。目前，在北欧国家超过一半以上的前列腺癌根治手术由手术机器人完成，而在美国，这一比例更是高达90%，已成为前列腺癌根治手术的“金标准”。
开放式心胸外科手术需要开胸，分离胸骨，游离肋骨，在体外循环下完成，手术创伤大，手术风险高，术后恢复时间长。胸腔镜已用于肺叶切除、冠脉搭桥等心胸外科手术，这种微创的手术方法不用开胸，仅需在肋间作几个小切口，就能完成手术操作，病人痛苦小，术后恢复快。但其适用范围有限，无法完成一些解剖结构复杂的手术，因而开展并不普及。手术机器人最早于1999年完成了首例冠状动脉旁路移植术，2003年起用于各种心脏外科直视手术。它在不破坏胸廓完整性的前提下，能精准地完成手术操作，而且适应证范围广泛，几乎涵盖所有的心胸外科手术，如心脏外科的全腔内心脏搭桥、心脏不停跳取乳内动脉、二尖瓣成型、二尖瓣置换、房间隔缺损修补、三尖瓣成型、心脏肿瘤切除，胸外科的肺叶切除术、食管癌切除、胸腺切除术和食管失弛缓症的治疗等。其中，全腔内心脏搭桥手术和二尖瓣成型手术是手术机器人在心胸外科开展的代表手术。临床应用表明手术机器人的手术安全性高，疗效明显好于开放式手术和胸腔镜手术。
以腹腔镜技术为代表的微创手术方式正逐步取代传统的开放式手术，应用于从卵巢囊肿开窗引流到全子宫切除、盆腔淋巴结清扫的各种妇科手术中。但是大部分的妇科手术需要在狭窄的盆腔内完成，手术操作的视野和空间都非常有限，这使腹腔镜器械的活动自由度受限，且操作的动作幅度不稳定，难以完成一些需要精细分离、缝合及淋巴结清扫的操作，限制了腹腔镜技术在复杂妇科手术中的应用。达芬奇手术机器人于2005年被美国FDA批准用于妇科微创手术，此后，该技术迅速普及。临床应用结果表明手术机器人手术具有更高的精确性、更好的操控性，能在骨盆中完成精细的操作，有利于功能的重建和盆腔淋巴结清扫。国外报道较多的是用于宫颈癌根治手术，该手术需要运用精确的分离技术进行韧带切断、输尿管游离、淋巴结清扫等，可以充分发挥手术机器人的技术优势，达到理想的手术效果。对于需要进行比较复杂缝合技术的手术，如复杂的子宫肌瘤切除术，运用手术机器人灵巧的手术臂高质量地完成缝合，有助于减少术后并发症的发生。此外，报道的手术机器人手术还有全子宫切除、输卵管再通吻合、卵巢切除和盆底重建等。
早期手术机器人主要用于腹部外科，开展了一些比较简单的手术，但并没有表现出比腹腔镜手术更明显的优势，因而未推广应用。近年来，随着手术机器人在其它外科领域的成功开展，其在腹部外科的应用和研究又重新活跃，迅速开展了各种手术。根据其对第二代腹腔镜手术的影响程度，可将手术机器人腹部外科手术分为三类：①对常规开展的腹腔镜手术基本没有影响的机器人手术，例如机器人胆囊切除、抗反流的胃底折叠、疝修补、阑尾切除、可调节捆扎带胃减容和良性胃肠肿瘤的切除等。②可显著提高腹腔镜手术效果的机器人手术，范围比较广泛，包括机器人肝叶切除、复杂胆道重建、胃旁路减重、胃癌根治、结直肠癌根治、胰腺部分切除和胰十二指肠切除等。③目前在腹腔镜下难以完成，唯有手术机器人能精准完成的一些手术，例如内脏动脉瘤切除吻合、细口径的胆管空场吻合、复杂的腹腔内淋巴结清扫等。
采用达芬奇手术机器人做手术的具体优势可以从两个方面说起：
第一，从患者角度：
(1)手术操作更精确，与腹腔镜（二维视觉）相比，因三维视觉可放大10-15倍，使手术精确度大大增加，术后恢复快，愈合好。
(2)曲线较腹腔镜短。
(3)创伤更小使微创手术指征更广；减少术后疼痛;缩短住院时间；减少失血量;减少术中的组织创伤和炎性反应导致的术后粘连；增加美容效果；更快投入工作。
第二，从医生（术者）角度：
达芬奇手术机器人增加视野角度；减少手部颤动，机器人“内腕”较腹腔镜更为灵活，能以不同角度在靶器官周围操作；较人手小，能够在有限狭窄空间工作；使术者在轻松工作环境工作，减少疲劳更集中精力；减少参加手术人员。医生有利之处归根到底还是为患者。例如，机器人提高精确度，便能节省出手术时间从而减少术者疲劳，这样可以进一步防止术者手部颤动使术者精力更集中，使手术更完美。
6 医用机器人发展的趋势
医用机器人的出现，很大程度减轻了医生的工作负担，更为人们保持身体健康、治疗与恢复带来了便利。目前，医用机器人正成为各国重点发展的领域，美国、日本、欧盟以及中国都将医用机器人技术作为重点培育对象，相信在未来，医用机器人将给世界带来更大的惊喜。机器人手术的不断普及，标志着一个崭新的医学时代正在到来。现代高科技的不断飞跃发展，计算机技术、精密机械技术、远程通讯技术和现代医学知识的结合，将开创一个机器人心脏外科的新世纪。可以认为，它带来的不仅是医学外科技术上的飞跃，而且是医学伦理学和人类社会观念的巨变。从达芬奇机器人上可以看出，医用机器人是高技术带来高产值，具有技术门槛高，研发周期长，风险大，跨越多学科等特点。所以，需要有“政、产、学、研、医、资”的长效机制，医用机器人才能得到更好的发展。具体而言，其趋势与挑战包括以下几个方。
6.1 医-工结合
医生在使用机器人进行手术，角色十分重要。医-工结合主要流程如下：由医生提出功能需求，安全性要求及手术方式与过程等；然后由技术人员明确需求后，确定设计输入，规划实现方式，形成工程语言；再然后是双方结合方案论证，不断修改与迭代。做出方案后，还要进行技术测试，医生测试与评价修改。医用机器人的开发往往要经过数年，整个过程“很累”。但正是从这里，才体会到需要医生的重要性。
6.2 更安全更方便
未来的医用机器人肯定是创伤越小越好，要做到简单、安全、集成，并且适合医生操作的习惯。未来会根据患者病情需要会有直接控制和分体控制，直接控制做到主从一体化，更小更方便。分体控制用于特殊病例，更精细。具体而言，做到主从一体化会面临会需要器械更微小更灵活，需要先进的设计与制造。而且做到医生直接控制时，人手会颤动，这又怎么来解决呢？这都是需要考虑的问题，现在还没有明确的答案。
6.3 从微创到更微创及微型医用机器人
从微创到更微创，以及从微创多孔到微创单孔机器人等。这方面有直觉外科，加拿大的Titan公司，以及国内的上海交通大学等在研究。这里面临的问题则主要体现在两方面：一是机器人尺寸过大，因为离散关节制约着系统尺寸；二是集成化不足，制约多自由度末端器械集成。它可以应用于人体内腔的疾病医疗。剑桥大学的科学家研制出了可供微型医用机器人使用的超微小引擎。这台名为“传动纳米换能器”的原型机能够产生巨大的微观级别的推进力。领导这个项目的剑桥大学教授杰里米·鲍姆贝格表示，纳米机器人在液体中的驱动力一直是个难题，而“传动纳米换能器”将能为微型机器人提供足够的动力。未来，实验的对象可能涉及可摄入或可注射的纳米机器人，该技术或许可以实现“显微”治疗或直接定向给病人的患病细胞递送药物。将来，移植的前提将不再是器官捐赠，受电子控制的人造器官将为越来越多的病患提供第二次生命。
6.4 柔性机器人
人体结构复杂，受限于体内的狭小空间，柔性机器人的操作会更便利。随着新材料、新工艺不断诞生，柔性机器人必将得到发展。
6.5 远程操控
通过互联网远程控制，早期可以国内控制，将来可以国际控制，太空控制。国际间医生可以交流，共同医疗，共同手术等等。
6.6 家用医疗机器人
家用的医疗机器人更是人们日常生活的健康小助手。家庭医疗机器人。用户通过配套App、触摸屏或语音第一次添加药物名称并输入提醒时间后，这些信息就会通过蓝牙和WiFi同步到机器人中，会按时将药物分配至容器之中。此外，还能进行语音互动，回答用户提出的医学问题，同时，它还能帮助用户连线医疗工作人员，甚至进行视频通话[3]。
6.7 生物智能
随着机械电子技术由传统的机械学、传感技术与先进的微处理机结合而成的新兴技术的迅猛发展，给生物医学工程仪器领域中医用机器人技术带来了高速发展的机会；同时，由于人类文明的进步和生活水平的提高，也推动了医用机器人工程的发展，促进了医用领域的自动化和机器人化。医用机器人工程结合了各个学科最新研究和发展的成果，应用于医学诊疗、康复等有关的医学领域。医用机器人不仅能提高医师医疗水平、有效避免医疗事故的发生，对医疗水平的提高也有很大的促进作用。它能够辅助医生，扩展医生的能力，智能水平也会不断增长，它的医用性、临床适应性以及良好的交互性会越来越强。特别是机器人的生物智能会越来越强，仿生材料会越来越多，生物的思维也会模拟，人的思维学习也会不断模拟，交互感知能力会越来越强[4] [5]。
参考文献
[1]李玉珠，郑卫刚. 浅谈一流大学工程训练中心软实力及巧实力建设[J]. 网友世界2012（12）：56-58
[2]郑卫刚. 简述智能机器人及发展趋势展望[J]. 智能机器人,2016,(04):41-43.
[3]郑卫刚. 虚拟现实技术的应用——宇龙软件在数控加工的运用[J]. 智能机器人,2016,(06):74-76
[4]肖建波,郑卫刚. 虚拟现实技术——双闭环一阶倒立摆系统的建模与仿真[J]. 智能机器人
[5]余磊,郑卫刚. 机器人自动控制中的问题研究综述[J]. 伺服控制,2015,(Z2):43-45.
作者简介
郑卫刚 （1967-） 男 技师 研究方向：机电技术
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