手術機器人醫療器械作為高端智能診療裝備，為滿足不同的術部、術式和多樣化臨床需求，主要囊括了如下核心科學技術。

一、手術機器人的機構設計

?

1、多孔腔鏡手術機器人的設計

?

在多孔腔鏡手術中，“從動端手術機器人”往往由“體外機械臂”和“靈巧手術工具”構成：若干直桿狀的手術工具經過不同的皮膚切口伸入并達到病灶，通過體外機械臂的擺動使得手術工具繞著入腹切口在病人體內運動；手術工具的末端有靈巧的腕狀結構以提供運動靈活性。

?

為避免對皮膚的撕扯，這些手術工具需要繞著入腹點做“遠心運動”。實現“遠心運動”的體外機械臂具體有被動約束、機械約束和協同約束這三類實現途徑。被動約束是指體外機械臂的遠心機構為欠驅動系統，手術工具可被動地適應皮膚切口，典型代表有美國的Zeus系統和天津大學團隊的妙手系統等。

?

這類機器人雖然可有效防止切口處皮膚的撕扯，但控制精度可能被術中病患腹腔壁切口的隨氣腹壓力變化或呼吸運動的變化而受到影響。機械約束一般通過等效的平行四邊形機構或者并聯機構構造空間的不動點，例如da Vinci Si/Xi系統和韓國Meere公司的Revo-I系統等。該種約束的可靠性高，但是結構較復雜，占用空間較大。以Medtronic和德國宇航中心共同研發的MiroSurge系統，英國Cambridge Medical Robotics公司的Versius系統等為代表的協同控制則是通過算法層面協同控制體外機械臂的各個關節以滿足不撕扯皮膚切口的約束要求。

?

靈巧腕狀結構的設計主要有串聯關節、并聯關節和連續體關節三類。其代表性設計分別有da Vinci系統的EndoWrist串聯關節設計、韓國科學技術研究院的并聯關節設計和多倫多大學或上海交通大學團隊的連續體關節設計等。

?

2、單孔腔鏡手術機器人的設計

?

在單孔腔鏡手術中，視覺模塊和手術工具均從同一個創口伸入病人體腔內。由于創傷面更小，為了實現類似于多孔腔鏡手術機器人的運動能力，單孔手術器械的布置難度更高。手術工具按照驅動類型不同可分為電機內置型、連桿驅動型、鋼絲驅動型和連續體機構型四種。

?

美國Virtual Incision公司的RASD系統等采用電機內置的驅動方式，將伺服電機內嵌在機器人的手術工具臂體中。雖然這類設計可以實現模塊化的關節布置，但是電機和減速機構會造成較大的皮膚切口和難以消毒的設計隱患。以早稻田大學團隊的SPS系統等為代表的連桿驅動型單孔腔鏡機器人則會受限于機構尺寸難以縮小，以及空間連桿固有的運動干涉問題。

?

以da Vinci SP系統為代表的鋼絲驅動型設計有較多系統采納：十余股鋼絲繩穿過手術工具內部的小孔牽拉實現關節的彎轉運動，但帶來鋼絲繩疲勞磨損的問題。采用超彈性鎳鈦合金細桿協同推拉，以實現手術工具柔順運動的連續體機構驅動方式，憑借其獨特的模塊化緊湊結構的特點也逐漸被學界和業界所接受。采用該驅動方式的北京術銳的模塊化腔鏡手術機器人系統目前已擁有較成熟有效的實現方案。

?

3、經自然腔道腔鏡手術機器人的設計

?

這類手術機器人需要通過狹長病人自然腔道到達病灶處，因此對手術工具的外徑尺寸、負載能力、末端靈巧性都提出了極高要求，目前距離產業化尚存距離。其驅動方案類似地，包含電機內置、鋼絲驅動和連續體機構三類。

?

二、手術機器人的傳感設計

?

1、手術工具的力感知

?

手術機器人的力感知可作為力反饋的依據以提升手術的安全性。手術中的力感知包括受力感知和觸覺柔順感知兩個方面，具有外體感知和本體感知兩種途徑。外體感知通常在手術工具的末端集成基于電阻、光纖等的力學傳感器；而本體感知則在手術機器人位于病人體外的驅動關節處安裝傳感器，通過力學模型推導手術工具末端所受的力學信息。雖然本體感知的精度會略遜于外體感知，但減小了手術工具的機構復雜度、降低了其消毒和制造的難度。

?

2、三維重建與圖像識別

?

三維重建是通過內窺鏡影像或者結構光等手段在手術過程中生成組織和器官表面的輪廓，為醫生提供術場信息。由于使用結構光涉及額外的術場成像設備，當前的熱點較多集中在基于內窺鏡影像的SLAM技術：通過返回的實時視野圖像，重建術場環境并同時更新內窺鏡鏡頭的位姿。

?

視野中的手術器械和組織經過圖像識別和切割，可有助于醫生對于術部環境的感知。手術器械可通過其顏色、幾何特征、紋理特征或者額外附著的標記物作出識別。然而體內器官和組織往往不具有明顯的區別性特征，因而可以通過注射熒光顯影劑，并用近紅外光照射，獲得熒光影像；也有研究采用隨機森林、支持向量機、卷積網絡等基于人工智能的方法對組織進行辨識。

?

3、定位導航技術

?

在骨科和神外手術中，通過術前和術中獲取病灶基準位置可開展智能規劃切割和植入的路徑，有利于手術標準化展開、避免術中多余的X光輻射等。當前的定位技術依據原理可分為機械型、超聲型、光學型和電磁型。其中諸如定位框架的機械定位技術較成熟但對病人的侵入性較大；超聲型有著穩定性和精度差的缺陷；光學型雖使用靈巧但易受遮擋；電磁型則受限于工作區域易受電磁干擾的劣勢。

?

三、手術機器人的控制模式

?

1、主從遙操作范式

?

為滿足醫生的操作需求、改善手術機器人的工作空間和靈巧度，從動端手術機器人與主控端的力位交互設備往往具有不同的機械拓撲結構，也因此需要額外建立關節配置空間和工作空間的映射。在工作空間內，手術機器人的目標位置和姿態控制指令的下發可采用增量式或絕對式控制。對機器人從工作空間到關節空間的求解算法則可歸納為解析算法、迭代算法、基于圖形學的啟發式算法和機器學習類人工智能算法等。

?

2、主控端力位交互設備

?

力位交互設備可以將采集到的醫生手部位姿信息下發給從動端，并向操作醫生輸出一定的力旋量，使其擁有仿佛在親手操作手術的“透明化”感覺。在空間中，位置和姿態信息，與力和力矩信息均在六維空間內表達，因此根據維度的不同全球眾多科研機構和公司開發了多種產品。目前較為成熟的通用化產品大多出自Force Dimension和3D Systems公司。

?

3、協同控制

?

有研究指出基于算法的協同控制可以有效提供位置和力學信息有助于提高手術的安全性、精準度和手術效率。目前主要有兩類協同控制：在指引型控制中，算法輔助醫生操控手術工具沿著設定的路徑或者組織表面運動；在禁止型控制中，手術工具被阻隔在給定的區域外，以避免對人體組織的破壞。目前協同控制已經被用來改善諸如遞針、縫合、打結等基本操作。