機器人學是一門極具前瞻性的學科。對醫(yī)療機器人領域未來發(fā)展的合理規(guī)劃，離不開對最新研究成就及其在臨床需求和商業(yè)化方面清晰認識。
寫機器人的論文，如何選題呢？今日MedRobot提煉了一篇高分綜述，來自哈佛大學醫(yī)學院Pierre E. Dupont等在《Science Robotics》（一區(qū)，IF=25）發(fā)表的題為“A decade retrospective of medical robotics research from 2010 to 2020”的綜述文章，檢索了從2010到2020年間引用量最高的、具有開創(chuàng)意義的論文，確定了醫(yī)療機器人領域的8個關鍵研究主題，并進行了深入的分析和總結。30多年前，第一批專家開始探索將機器臂用于外科手術。20年前，醫(yī)院安裝上了第一個商用機器人系統(tǒng)。在過去的十年中，醫(yī)療機器人領域取得了突飛猛進的進步。目前，世界各地已安裝了數(shù)千個機器人手術系統(tǒng)，已經(jīng)進行了數(shù)百萬例手術。隨著醫(yī)療系統(tǒng)對手術機器人的接受程度越來越高，機器人領域的研究者們越來越關注下一代醫(yī)療機器人的樣子。本文聚焦于過去10年間，對醫(yī)療機器人的主要成就進行了回顧性評估。
# 熱點主題
首先，作者通過在Web of Science上檢索2010-2020年發(fā)表的關于醫(yī)療機器人的論文，確定了8個熱門主題，有的與特定的臨床應用有關（如腹腔鏡機器人），有的與在醫(yī)學中廣泛應用的使能技術有關（如軟體機器人）。從下圖可以看出，從1990年的6篇增加到2020年的3500多篇，工程和醫(yī)學期刊上關于醫(yī)療機器人的出版物數(shù)量呈指數(shù)級增長。由于Intuitive Surgical的達芬奇機器人取得的成功，醫(yī)學論文以腹腔鏡機器人為主，占總數(shù)的60%至70%，2020年發(fā)表了1300多篇論文。相比之下，隨著這項技術的成熟，關于腹腔鏡的工程論文在2019年達到了峰值126篇。工程類論文以治療康復和可穿輔助機器人為主。這兩個熱門話題約占過去十年發(fā)表的工程期刊醫(yī)療機器人論文的80%。雖然2010年時這兩個主題的發(fā)文量相同，但在隨后的10年里，治療性康復機器人的發(fā)文量明顯超過了可穿戴輔助機器人。值得注意的是，關于這些主題的醫(yī)學論文數(shù)量不到工程論文數(shù)量的25%，這可能是由于醫(yī)學期刊論文通常報道臨床試驗的結果，而臨床試驗比工程研究要花費更多的時間和成本。下圖圖所示的技術遠不如上圖所示的成熟，因此工程和醫(yī)學類期刊發(fā)文量都較少。其中，磁驅動技術是最成熟的，其工程和醫(yī)學類論文都呈指數(shù)級增長，醫(yī)學論文滯后于工程論文。這一主題的持續(xù)發(fā)展在一定程度上取決于微型機器人的臨床應用能否得到充分發(fā)展。# 腹腔鏡機器人（Robotic Laparoscopy）腹腔鏡機器人可能是醫(yī)療機器人技術中最成熟、商業(yè)上最成功的領域。在過去的十年里，在臨床、商業(yè)和學術上均取得了重大進展。腹腔鏡機器人的大部分研究都是臨床研究，旨在比較機器人與手動腹腔鏡技術在不同外科手術中的療效。例如，根治性前列腺切除術術、膀胱癌根治性切除術、直腸癌切除術和子宮切除術。2010-2020年，Intuitive Surgical的達芬奇機器人的持續(xù)進化發(fā)展。該系統(tǒng)現(xiàn)在能夠在所有機械臂、半自動臂上安裝內窺鏡和腹腔鏡器械，并改進了器械耦合。在過去的十年里，至少有50種不同的儀器為達芬奇機器人設計。此外，根據(jù)Intuitive Surgical的年度報告，達芬奇的使用量增長迅速，2019年完成了120多萬次手術。與此同時，Intuitive Surgical在機器人腹腔鏡手術中占據(jù)壟斷地位的專利開始到期，幾家大型醫(yī)療設備公司開始開發(fā)自己的機器人。第一是使用腹腔鏡機器人作為開發(fā)增強能力的平臺。主要包括引入用于研究的開放平臺機器人，初步開發(fā)手術自動化，以及將力傳感集成到腹腔鏡工具。第二是減少手術侵入性的新機器人架構。單孔手術系統(tǒng)得到了最多關注，如Intuitive Surgical最近推出的商用系統(tǒng)達芬奇SP。
▲達芬奇SP
- 開放平臺內窺鏡手術機器人（ppen platform laparoscopic robots）
- 外科手術自動化（surgical automation）
- 導航、術中成像和可視化（navigation, intraoperative imaging, and visualization）
- 接觸力感知與控制（contact force sensing and control）
- 單孔內窺鏡手術機器人（single-port laparoscopic robots）
- 可分離外科手術機器人（detached surgical robots）
#非腹腔鏡手術專用機器人（Nonlaparoscopic Procedure–Specific Robots）受達芬奇機器人在腹腔鏡手術中的成功啟發(fā)，在過去的十年里，外科醫(yī)生和工程師也在探索非腹腔鏡手術的新機器人解決方案。
- 腔內和自然開口手術（endoluminal and natural orifice surgery）
幾個令人興奮的發(fā)展將使促進手術專用機器人平臺的新一輪創(chuàng)新。在過去的十年里，電極陣列轉向和人工耳蝸植入方面都開展了相應的研究。這些例子表明利用軟體機器人和可能的磁驅動創(chuàng)建深度導航新平臺的潛力。操將縱和診斷傳感相結合方面也開展了令人興奮的工作。研究者認為，為提高外科手術的效果，活體實時傳感還有待進一步研究?？梢詫⑿g中感知與自適應輔助行為（虛擬固定裝置或共享控制）結合的系統(tǒng)也將幫助外科醫(yī)生實現(xiàn)快速臨床部署，并提高感知和性能。
# 可穿戴輔助機器人（Assistive Wearable Robotics）可穿戴輔助機器人關注其設備的設計和控制，旨在改善肌肉骨骼或神經(jīng)肌肉損傷患者的行動能力或功能。該領域的突出進展包括為上肢和下肢截肢患者開發(fā)的機械假肢（也稱為動力假肢），以及為神經(jīng)肌肉損傷患者，如脊髓損傷、中風、多發(fā)性硬化癥或腦癱患者開發(fā)的外骨骼。盡管該領域的歷史至少可以追溯到20世紀60年代初，但直到2010年至2020年的十年間，可穿戴輔助機器人才得到了充分的實現(xiàn)。動力下肢假肢（powered lower limb prostheses）神經(jīng)控制的上肢假肢（neurally controlled upper limb prostheses）下肢外骨骼（lower limb exoskeletons，LLEs）▲RoboCT公司開發(fā)的UGO下肢外骨骼系統(tǒng)
# 康復治療機器人
（Therapeutic Rehabilitation Robots）
輔助外骨骼和假肢旨在取代損失的功能，而康復機器人的設計目的在于神經(jīng)損傷（最常見的是中風和脊髓損傷）后為肢體提供重復運動治療，從而恢復患者自身能力。治療輔助機器人設備能夠誘導或促進神經(jīng)可塑性，執(zhí)行伸手、抓握、行走和腳踝運動，從而恢復運動范圍和運動協(xié)調，恢復患者的肢體功能，在某些情況下，能夠在沒有機器人設備支持的情況下提供自我護理、獨立生活，甚至在受傷后重返工作崗位。自20世紀90年代初引入，康復機器人作為提供精確、重復運動治療的手段，在設計、制造、控制和臨床轉化方面取得了重要進展。在2010年前的十年中，主要研究成果包括為神經(jīng)康復開發(fā)的第一代機器人設備的臨床評估和商業(yè)化，包括用于步態(tài)康復的外骨骼，如Lokomat，以及用于上肢康復的末端執(zhí)行器型機器人，如InMotion ARM。自最初的發(fā)展以來，在21世紀初，研究人員開始為上肢開發(fā)新的外骨骼型機器人，該機器人可針對肘部和肩部遠端的特定關節(jié)運動，而下肢外骨骼則可促進地面行走。2010年-2020年，研究者們完成了控制算法的基礎性工作，這旨在更好地協(xié)調機器人和患者之間的運動。第一，新穎的外骨骼樣式設計，關注上肢的遠端關節(jié)，并在驅動和結構上都融入了柔順性和軟體材料；第二，新控制算法的開發(fā)，以調節(jié)患者與機器人之間的交互，最大限度地提高患者參與性。第三是，意圖檢測方法的創(chuàng)造，以推斷和支持病人想要的動作，而不是規(guī)定或預先編程機器人運動軌跡。第四，對神經(jīng)恢復進行客觀和定量評估的機器人裝置的推廣使用。
▲機器人技術用于康復
未來展望：
未來的研究工作將側重于更好地理解神經(jīng)可塑性的機制，包括如何可靠地誘導和利用它來最大限度地提高治療效果。這依賴于神經(jīng)科學的進步，包括記錄神經(jīng)元活動的新技術。機器人技術的進步對實現(xiàn)上述目標也至關重要，包括開發(fā)更合適的設備，以及嵌入設備中的更精確的傳感和致動，以確定可最大程度促進功能和獨立性恢復的上肢和下肢的遠端自由度。最后，先進的控制算法可以更準確地實時表征患者的能力，不僅可以調整完成動作所需的支持水平，還可以施加適當?shù)淖枇蛱魬?zhàn)。
# 膠囊機器人（Capsule Robots）
世紀初，Given Imaging（現(xiàn)美敦力）推出了無線膠囊內窺鏡，作為檢查胃腸道的微創(chuàng)方法。只需吞下一?！八幫琛本涂梢允占c道深處的圖像，這一可能性徹底改變了胃腸鏡領域，并引出了一個全新的研究領域：膠囊醫(yī)療機器人。
▲美敦力Pillcam膠囊機器人研究者很快就認識到，傳統(tǒng)的膠囊內窺鏡在胃腸道中被動移動，受到無法與腸道相互作用并進行干預的限制。解決這一問題的第一個自然方法是采用“機載驅動”，使用內部微型運動機構（如腿）主動控制膠囊。然而，學界對這種方法的熱情迅速下降：使用現(xiàn)有技術，將包括充足電源在內的復雜機制集成到“藥丸大小”的設備（通常長度為24毫米，直徑為11毫米）中是不切實際的。為了解決這一問題，研究者探索了磁驅動的替代方法。磁耦合的使用繞過了對復雜機構的需求，減少了板載功率需求，從而降低了設備的總體尺寸和復雜性。這種形式的致動通過外部產生的磁場操縱膠囊（包含嵌入式磁體）。這種簡單的機械布置可以精確地控制膠囊定向并產誘導相對運動。磁場可以由永磁體或電磁體產生，電磁鐵在改變磁場大小方面可提供更好的控制程度，但產生的體積磁通密度低于永磁體。醫(yī)療膠囊機器人現(xiàn)在是標準介入內窺鏡檢查的可行的臨床替代品。
未來展望：
在下一個十年開始之際，膠囊機器人將與智能磁控制和多模態(tài)成像（如多光譜、自發(fā)熒光和微超聲）和微/納米機器人相結合，提供前所未有的診斷和治療能力。除了臨床用途外，還可以提供研究平臺，深入人體，解決與微生物組等相關的其他科學問題。未來，在能量存儲或無線電力傳輸方面還可能取得令人興奮的進展，將重振板載驅動方法或“多尺度操作”，如一個膠囊器人部署一支介入微型機器人大軍。無論未來如何，醫(yī)療膠囊機器人始終都是一個令人興奮、快速發(fā)展且極具影響力的研究領域。
（Magnetic Actuation for Medicine）
早在被用于身內成像之前，磁場就被用于進行手術。使用磁場提取意外嵌入眼睛的鐵屑的記錄至少可以追溯到17世紀和工業(yè)革命期間。20世紀50年代，首次對磁場用于引導尖端安裝有磁鐵的導管進行了研究。然而，直到2003年，Stereotaxis的Niobe機器人磁導航系統(tǒng)才用于商用，該系統(tǒng)使用兩個移動的永磁體產生變化的磁場，用于引導心內膜消融導管治療心律失常（電生理程序）。盡管這種磁導導管系統(tǒng)的市場滲透率一直很低，但在過去的十年中，研究人員和醫(yī)療器械公司的對其興趣愈發(fā)濃厚，關于該主題的論文數(shù)量呈線性增長。
- 多自由度電磁導航系統(tǒng)建模（modeling multi-DOF electromagnetic navigation systems）
- 磁引導微型機器人（magnetically guided microrobots）
- 毫米尺度上的磁運動策略（magnetic locomotion strategies at millimeter scales）
- 磁引導導管（magnetically guided catheters）
▲（A）傳統(tǒng)腹腔鏡手術；（B）局部磁驅動機器人腹腔鏡手術
# 軟體醫(yī)療機器人（Soft Robotics for Medicine）
軟體機器人本質上是柔順結構和智能材料，從一開始就與仿生學和生物靈感密切相關。另一方面，人們對柔體仿生機器人日益增長的興趣，也促進了智能材料的研究，這些智能材料可從宏觀尺度到納米尺度，用于制造軟體機器人或為其提供傳感和驅動能力。比如，大多數(shù)關于具有傳感能力的人造皮膚的研究，都可以在應用軟體機器人和設備的文獻中找到。縱觀過去10年的文獻，有許多關于軟體仿生機器人各種應用的基礎性綜述或調查性論文，也有許多關于新型智能材料的研究論文和綜述，其中，傳統(tǒng)的硅基傳感技術被具有智能行為的硅基技術所取代。
就過去10年的高被引論文而言，排除材料研究論文和調查性論文，可以將軟體機器人分成兩類：一種是用于康復或人體增強的可穿戴軟體機器人。第二種包括介入和外科手術機器人或相關組件。（1）用于手術或介入的軟體設備，其中整個傳統(tǒng)設備被宏觀和微觀規(guī)模的軟體機器人設計所取代；（2）軟體、仿生或順應性的組件，可作為獨立的設備工作，或者集成到傳統(tǒng)系統(tǒng)中；（3）高級模擬器的軟體組件和系統(tǒng)，用于訓練和研究機器人和生物人工器官之間的特定生理功能。
盡管軟體機器人領域還沒有產生代表性的范例，但正在指導大多數(shù)醫(yī)療器械的設計和開發(fā)。與此同時，軟體機器人技術也在促進軟體材料和新型制造技術的研究，從而在生物醫(yī)學應用中開辟意想不到的途徑。
▲用于手術和藥物遞送的軟體機器人
# 連續(xù)體醫(yī)療機器人（Continuum Robots for Medicine）
連續(xù)體機器人通過彎曲變形而不非離散關節(jié)來改變形狀，與傳統(tǒng)的機器人機構相比，由于能夠實現(xiàn)3D變形，這種機器人可通過更小的通道進行手術。它們可以通過自然開口進入人體內，通過體內腔導航，在通過實體組織時繞過關鍵結構。與傳統(tǒng)設計相比，連續(xù)體機器人的彎曲順應性也提高了其安全性。在2010年之前的十年中，主要的研究進展涉及開發(fā)肌腱和多骨架驅動連續(xù)機器人結構的設計原理和基于力學的運動學模型。這促成了醫(yī)療機器人商業(yè)化，例如漢森醫(yī)療的肌腱驅動心臟導管。此外，還提出了一種肌腱驅動設計，用一系列由球形關節(jié)連接的短圓柱連桿代替柔性主干。這一設計成為Medrobotics公司商業(yè)化手術機器人的基礎。在2000年代，同心管機器人的概念首次被引入，但直到2010年才完成對該架構的設計原理和運動學模型的完整描述。
在2010年至2020年的10年間，連續(xù)體機器人的研究主要集中在四個領域：
- 擴展運動學模型以納入外部接觸和載荷（extending kinematic models to consider external contacts and loads）
- 軟體連續(xù)體機器人（soft continuum robots）
- 特定應用的連續(xù)體機器人設計（application-specific continuum robot design）
▲根據(jù)其結構和驅動方法對連續(xù)體機器人的分類
# 討論
進一步推進醫(yī)療機器人的發(fā)展，離不開對機器人及其底層技術如何使醫(yī)學增值的深入理解。盡管在幾乎所有其他行業(yè)，普遍認為機器人作為自主體以降低人力成本，但醫(yī)療機器人，至少到目前為止，都是在其他應用方面帶來附加值。在康復治療中，可以說，目前增值在于提供更多的重復次數(shù)，而非提高重復的質量；用于放射治療的能量輸送機器人提供了其他方式難以匹配的精度、可重復性和速度的組合；與非機器人設備相比，電動假肢可以通過擴大日常生活任務的數(shù)量和質量來直接改善患者的預后；膠囊機器人最終可能取代一些腸道開放手術，改善難以到達的身體區(qū)域的診斷，并減少現(xiàn)有腔內腸道手術的不適。在指導機器人技術研究以實現(xiàn)增值最大化的過程中，最重要的技術目標是實現(xiàn)基于現(xiàn)有技術所無法實現(xiàn)或者不切實際的新型干預措施。在未來十年，軟體機器人很可能成為一項非常重要的使能技術。目前大部分最有前景的工作都是在材料領域，涉及帶有嵌入式傳感器和驅動器的薄聚合物層制造。盡管目前這項工作看似與醫(yī)療應用很遙遠，但這些能力可能會對介入、康復和輔助機器人產生巨大影響。其他的傳感、成像、驅動和儲能等使能技術可能會為消費類電子產品帶來跨越式發(fā)展。
一項技術除了能夠催生出一種新的手術型式外，若可使醫(yī)療機器人增值，也同樣具有非凡意義。術前和術中成像與靈活的、符合人體工程學的增強手術工具相結合就是一個很好的例子。這種方法的價值可能在未來還會持續(xù)增長。將實驗室細胞和分子成像轉化到體內原位手術中，為宏觀和細胞級的治療提供改善的組織探測、標記和靶向，將進一步擴大手術干預的功能能力。通過簡化術中決策制定與優(yōu)化，并使其具有更高的一致性和準確性，避免潛在的術后并發(fā)癥，能夠從根本上改變手術路徑規(guī)劃。
另外一種機器人增值的方式是通過增加自主性。醫(yī)療機器人自主性的技術前沿，在于賦予機器人基于實時傳感器數(shù)據(jù)制定和改變其計劃和運動的能力。例如自主腹腔鏡手術切除癌性病變或自主經(jīng)導管心臟瓣膜修復。這種程度的自主性不僅帶來了技術上的挑戰(zhàn)，還帶來了監(jiān)管、倫理和法律方面的問題尚待解決，并將提高商業(yè)化成本。因此，在現(xiàn)有的醫(yī)療機器人中逐步增加這種自主功能將會容易得多，這些機器人的價值可以在不考慮自主功能的情況下得到證明。例如腹腔鏡手術的自動縫合，柔性內窺鏡的自主導航，或心臟內自主電生理導管標測。
漸進自主化的進化趨勢（如下圖所示）將為算法和傳感器等必要技術的研發(fā)提供時間，同時，讓利益相關者有時間逐步構建適當?shù)谋O(jiān)管和法律框架。短期內，必須具備自主能力的在醫(yī)療機器人的商業(yè)化將更具挑戰(zhàn)性，但長期看來可能具有最高價值。
▲提高醫(yī)療機器人自主性的特定應用趨勢自1990年以來發(fā)表的19000多篇關于醫(yī)療機器人的工程論文中，只有少數(shù)可以為現(xiàn)有的商用醫(yī)療機器人賦能。即使的具有高技術影響力的論文，其專利引用數(shù)量也不多。在某種程度上，這可能是由于技術開發(fā)與其商業(yè)應用之間的巨大滯后。技術研究與醫(yī)療器械商業(yè)化現(xiàn)實之間的不匹配也是影響因素之一。將機器人技術應用于臨床，需要的不單單是被引用的研究文章，必須要確定真正臨床需求，必須要開發(fā)相關的技術來滿足這臨床需求，并考慮機器人如何為臨床醫(yī)生和患者增加價值的細節(jié)。技術的開發(fā)還必須充分考慮醫(yī)院的行政和財務限制，不妨礙完善的臨床工作流程；必須盡早識別潛在風險，以便獲得倫理批準；必須開發(fā)有吸引力的商業(yè)模式，以確保能夠獲得足夠的投資，使該技術順利通過醫(yī)療設備獲得商業(yè)成功必經(jīng)的復雜途徑。要最大限度地提高成功的幾率，技術研究者者必須走出象牙塔，與臨床醫(yī)生、監(jiān)管機構、投資者和商界建立深入的合作.
