人類能夠執(zhí)行外科手術(shù)曾經(jīng)被認(rèn)為是一種奇跡。外科作為科學(xué)自身有一部輝煌的發(fā)展史,，撇開手術(shù)的難度，從切口來看曾經(jīng)歷了兩個(gè)時(shí)代:開放式手術(shù)和小切口手術(shù),。過去做腎臟手術(shù)需要很長地切口,，甚至還要去掉肋骨，而腹腔鏡小切口手術(shù)只需要幾厘米,，這無疑是很大的進(jìn)步,。但是它們的共同點(diǎn)是必須要有外科醫(yī)生親手握手術(shù)刀做手術(shù)。信息科學(xué)的進(jìn)步使外科手術(shù)進(jìn)人第三代,，手術(shù)可由機(jī)器人執(zhí)行手術(shù),，醫(yī)生做手術(shù)的手被具有觸覺功能、可操作的機(jī)械臂取代,。醫(yī)生在計(jì)算機(jī)終端前操作,，計(jì)算機(jī)將醫(yī)生的手在病人體外的活動(dòng)轉(zhuǎn)化成儀器在體內(nèi)微小的精確運(yùn)動(dòng)，曾經(jīng)是科學(xué)幻想的機(jī)器人手術(shù)終于變成了現(xiàn)實(shí),。

機(jī)器人進(jìn)人外科手術(shù)領(lǐng)域是緣于其無與倫比的控制性和微創(chuàng)手術(shù)操作的精細(xì)性,。外科機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)，是機(jī)器人技術(shù),、計(jì)算機(jī)控制技術(shù),、數(shù)字圖像處理技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng),、傳感器技術(shù),、生物制造與臨床醫(yī)學(xué)技術(shù)相結(jié)合的新興多學(xué)科交叉技術(shù)，可以有效輔助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)定位和手術(shù)操作,，提高臨床手術(shù)的精確性,、靈活性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)和數(shù)字化手術(shù),。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步,，我們可以期待,，有一天，機(jī)器人輔助內(nèi)鏡手術(shù)可能會(huì)取代人工內(nèi)鏡手術(shù),，成為外科微創(chuàng)治療的最佳選擇,。

15世紀(jì)末達(dá)芬奇遺留下來的手稿中有關(guān)于機(jī)器人的設(shè)計(jì)，據(jù)說后來的研究者依照達(dá)芬奇的原始設(shè)計(jì)重新生產(chǎn)出來了能進(jìn)行復(fù)雜功能的機(jī)器人,。

            一,、高級(jí)外科醫(yī)院（MASH）與戰(zhàn)地外科車

在1980年代中期，美國宇航局（NASA）研究虛擬現(xiàn)實(shí)的團(tuán)隊(duì)中加入了費(fèi)歇爾博士（S. Fisher）與羅森（J. Rosen）醫(yī)生,，他們?cè)O(shè)想利用虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)創(chuàng)造一種遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù),，并邀請(qǐng)斯坦福研究中心的格林（P. Green）博士的生物機(jī)械團(tuán)隊(duì)嘗試設(shè)計(jì)一個(gè)用于手外科手術(shù)的遠(yuǎn)程高精縫合血管與神經(jīng)的裝置。由于1980年代后期內(nèi)窺鏡手術(shù)進(jìn)入了跟開放性外科手術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代,，腹腔鏡手術(shù)當(dāng)時(shí)面臨的挑戰(zhàn)是缺乏手感,、缺乏三維視野與操作困難，外科醫(yī)生需要大量的訓(xùn)練才能基本掌握該技術(shù),。意識(shí)到格林等人的系統(tǒng)可以解決腹腔鏡手術(shù)的困境,，沙塔瓦（R. Satava）醫(yī)生建議格林把研究方向轉(zhuǎn)移到了內(nèi)窺鏡手術(shù)。沙塔瓦與格林的研究后來引起了陸軍外科總管拉婁（A. LaNoue）的注意,，在他的支持下,，沙塔瓦被調(diào)進(jìn)了五角大樓的高級(jí)研究項(xiàng)目所（ARPA），主持發(fā)展遠(yuǎn)程手術(shù),。對(duì)于軍隊(duì)來說,，遠(yuǎn)程手術(shù)可以讓醫(yī)生遠(yuǎn)離戰(zhàn)場(chǎng)操作在戰(zhàn)場(chǎng)中的機(jī)器人進(jìn)行急救，具有極大的生命效益,。該系統(tǒng)由移動(dòng)的高級(jí)外科醫(yī)院（MASH）與戰(zhàn)地外科車（稱為MEDFAST）組成,。這個(gè)系統(tǒng)于1996年通過實(shí)地測(cè)試，但由于戰(zhàn)爭(zhēng)形式的改變,，并未被推廣用于實(shí)際戰(zhàn)斗中,。

                二、第一臺(tái)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)

1992年,，獸醫(yī)鮑爾（H. Paul）與巴吉爾（W. Barger）醫(yī)生跟IBM華森研究中心的泰勒（R. Taylor）合作,，試圖解決股骨頭置換的精度問題。他們發(fā)明了一個(gè)能給狗施行髓關(guān)節(jié)置換手術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng),，即第一臺(tái)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)（RoboDoc）,，它不僅是骨科的第一臺(tái)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，也是第一個(gè)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng),。在1990年代初,，獸醫(yī)常規(guī)手術(shù)的精度只有75%，而他們開發(fā)的系統(tǒng)將之提高到96%,，他們將之命名為“機(jī)器醫(yī)生”,，該裝置先后在人體與動(dòng)物身上證明其臨床價(jià)值后上市進(jìn)行商業(yè)開發(fā),。后來類似裝置被擴(kuò)展到了其他關(guān)節(jié)的應(yīng)用上。

               三,、內(nèi)鏡自動(dòng)定位系統(tǒng)(AESOP)

1994年,，美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)核準(zhǔn)第一臺(tái)內(nèi)鏡自動(dòng)定位系統(tǒng)(AESOP)應(yīng)用于腹腔鏡手術(shù)。該系統(tǒng)具有聲控功能,，可以靈活顯示手術(shù)視野,。為了提高靈活性，醫(yī)學(xué)界早在20世紀(jì)90年代初就提出了主從式手術(shù)機(jī)器人的概念,。斯坦福研究院研制了第一代主從式手術(shù)機(jī)器人,，設(shè)計(jì)理念是利用計(jì)算機(jī)將外科醫(yī)師的手部運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為指令，傳輸至終末效應(yīng)器,，操縱遠(yuǎn)端器械,。

    第一代手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)已在世界各地醫(yī)院手術(shù)室建立，然而,，它們并非真正意義上的智能手術(shù)機(jī)器人,，而是一種“機(jī)械手”，用于各種輔助手術(shù),。它們需要醫(yī)師的操縱或根據(jù)人類的指令進(jìn)行操作。機(jī)器人手術(shù)的優(yōu)點(diǎn):操作者坐著完成手術(shù),，不易疲乏,，可以更輕松的完成長時(shí)間高難度手術(shù);避免了因?yàn)殚L期手術(shù)導(dǎo)致的疲倦和手腕顫抖;通過軟件濾除了人手的震顫，減少粗糙操作造成的損傷;避免了人類心情,、情感因素對(duì)手術(shù)的影響;三維成像系統(tǒng),，從而使手術(shù)變得容易，縮短學(xué)習(xí)曲線;內(nèi)腕系統(tǒng),，靈活度接近并在某些方面超過人手,，可以完成腹腔鏡所不能完成的動(dòng)作，甚至可以完成人手所不能到達(dá)的生理曲度;可以連續(xù)完成精密動(dòng)作而不會(huì)產(chǎn)生失誤;可以完成人類無法完成的超精密動(dòng)作;手術(shù)時(shí)間縮短,，術(shù)后感染幾率小(<0.1%),。手術(shù)機(jī)器人也有缺點(diǎn):沒有觸覺，無法分辨組織的韌度,，觸摸血管搏動(dòng);沒有溫?zé)嵊X,，無法分辨不同體內(nèi)組織間的溫度差異;對(duì)大的動(dòng)作有“力反饋(forcefeedback)”作用，但對(duì)精細(xì)動(dòng)作不起作用;需要助手更換機(jī)械臂;控制臺(tái)與機(jī)械臂之間的無線通訊易受到干擾,。就目前技術(shù)而言,，還不可能由機(jī)器人獨(dú)立完成手術(shù)，機(jī)器人終究還只能起到一種輔助的作用,。

               四,、多功能宙斯（Zeus）系統(tǒng)

1995年,，受軍方支持的王雨倫（音譯）博士的動(dòng)態(tài)電腦公司設(shè)計(jì)的自動(dòng)最佳定位內(nèi)窺系統(tǒng)（AESOP），該系統(tǒng)為繼“機(jī)器醫(yī)生”后第二個(gè)為FDA批準(zhǔn)的商業(yè)產(chǎn)品,，1998年,，該公司推出了新一代的多功能宙斯（Zeus）系統(tǒng)。

宙斯系統(tǒng)側(cè)重于增加操作復(fù)雜性與符合人體工程設(shè)計(jì),，而達(dá)芬奇系統(tǒng)則更強(qiáng)調(diào)手術(shù)操作的真實(shí)感,。由于動(dòng)態(tài)電腦公司與直覺外科公司因?yàn)閷＠m紛而在2003年合并，宙斯系統(tǒng)現(xiàn)已停產(chǎn),，達(dá)芬奇系統(tǒng)成為市場(chǎng)上唯一的外科機(jī)器人,。

              五、達(dá)芬奇（da Vinci）系統(tǒng)

2000年7月,，第一個(gè)FDA準(zhǔn)許使用的手術(shù)機(jī)器人以文藝復(fù)興時(shí)期偉大發(fā)明家達(dá)芬奇的名字命名,，稱達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)。當(dāng)年斯坦福研究中心的格林（P. Green）博士格林設(shè)計(jì)的戰(zhàn)地外科車,，1995年戰(zhàn)地外科車,，為莫爾（F. Moll）醫(yī)生建立的直覺外科（Intuitive Surgery）公司商業(yè)化，1999年進(jìn)人實(shí)際試驗(yàn),。被命名為達(dá)芬奇（da Vinci）系統(tǒng),，它于1999年開始推出，2000年6月德國法蘭克福大學(xué)醫(yī)院泌尿外科醫(yī)生利用達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)完成世界上首例完全用內(nèi)窺鏡監(jiān)視下進(jìn)行的前列腺切除根治術(shù),。2000年7月FDA批準(zhǔn)達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)可以在腹腔鏡手術(shù)中使用,，達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)就成為美國第一個(gè)允許在臨床環(huán)境使用合法的商品化完整的手術(shù)機(jī)器人。

FDA的項(xiàng)目評(píng)估專家認(rèn)為達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)能夠在細(xì)小空間內(nèi)精確地完成意義重大的醫(yī)療活動(dòng),。2000年8月San Ramon地區(qū)醫(yī)學(xué)中心絕育專家利用它首次完成輸卵管重接手術(shù),。2000年11月東加州大學(xué)Rrody醫(yī)學(xué)院心臟外科醫(yī)生利用達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)完成北美首例二尖瓣心臟外科手術(shù)。2000年12月FDA批準(zhǔn)達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行二尖瓣修復(fù)小切口手術(shù)多中心臨床評(píng)價(jià),，確定由美國6個(gè)主要醫(yī)學(xué)中心對(duì)50個(gè)病人進(jìn)行臨床試驗(yàn),。2001年3月FDA又批準(zhǔn)可以在胸腔鏡手術(shù)中使用。使得這一機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的允許使用的領(lǐng)域?qū)⒋鬄橥貙挕?/span>

             六,、微創(chuàng)手術(shù)高級(jí)機(jī)器人與遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)

在大西洋彼岸,，1995年英國的威克漢姆（J.Wickham）爵士等人發(fā)展了類似機(jī)器醫(yī)生的裝置，主要用于前列腺手術(shù),；德國卡爾斯魯厄核研究中心的潤斯蘭德（H. Rinnsland）博士等人發(fā)展了類似格林系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作裝置“微創(chuàng)手術(shù)高級(jí)機(jī)器人與遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)”（ARTEMIS）,，不過，該系統(tǒng)的開發(fā)后來因經(jīng)費(fèi)不足而被迫放棄,。 

  患者和外科醫(yī)生之間的距離有一定的限度,，超過這一限度，器械控制的精確度和靈巧性將大打折扣，還不可避免地造成其他組織誤傷,。解決這一問題的最佳方法是采用高帶寬地下纖維電纜傳輸遠(yuǎn)程手術(shù)圖像,，這一新的傳輸技術(shù)在 2001年9月使Mares-caux和Gagner在美國紐約和法國Strousbourg之間施行機(jī)器人輔助腹腔鏡膽囊手術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。

               七,、機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展

在泌尿外科,，機(jī)器人已安全用于前列腺組織切除。其安全裝置是利用環(huán)狀鋼構(gòu)架限制機(jī)器人只能進(jìn)行精確的弧形切除,，而不會(huì)切除鋼構(gòu)架范圍之外的組織,。另外，一些中心已經(jīng)開展了機(jī)器人輔助前列腺切除術(shù),。 2004年在美國機(jī)器人就成功完成了各種外科手術(shù)2萬例,。其中前列腺切除(前列腺癌根治)8000余例，占所有前列腺切除的10%左右,。2005年4月,，在諾福克島,、弗吉尼亞和德國柏林三地成功地完成了機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程合作前列腺癌的切除手術(shù),。

3位外科醫(yī)生位于不同的國家和地區(qū)，他們通過蘇格拉蒂機(jī)器人,、遠(yuǎn)程合作系統(tǒng),，在他們各自的辦公室里成功地完成了這例難度較高的手術(shù)。2007年9月26日報(bào)道美國斯坦福研究院國際公司(SRI International ),，將在一架飛越墨西哥海灣上空10萬米的美國宇航局C--9運(yùn)輸機(jī)上首次進(jìn)行零重力外科機(jī)器人手術(shù),，外科醫(yī)生在遠(yuǎn)至千里之外對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。目前,，全世界遠(yuǎn)程合作手術(shù)和遠(yuǎn)程教學(xué)手術(shù)僅施行20多例。

    加拿大2007年宣布研制成功世界首部腦外科手術(shù)機(jī)器人,，這種機(jī)器人擁有敏銳的觸覺和超凡的“視力”,，可以有效幫助醫(yī)生完成精微腦外科手術(shù)。這種被稱為“神經(jīng)手臂”的機(jī)器人將腦外科手術(shù)與航天科技結(jié)合起來,。它的出現(xiàn)使神經(jīng)外科醫(yī)生可以完成許多高危險(xiǎn)性手術(shù),。機(jī)器人內(nèi)置核磁共振成像裝置，能夠洞悉人體中最微小的神經(jīng)構(gòu)造,，并繪制出清晰3D圖像,。“神經(jīng)手臂”的操控設(shè)備類似一座駕駛艙,，由手術(shù)醫(yī)生負(fù)責(zé)操縱,。醫(yī)生通過觀察一座立體圖像顯示器實(shí)現(xiàn)操作。顯示器與機(jī)器觸手相連，可以顯示器官的縱深透視圖,。同時(shí),，醫(yī)生可以參考旁邊電腦上顯示的核磁共振圖像，甚至可以通過機(jī)器人內(nèi)置麥克風(fēng)聽到它在人體內(nèi)執(zhí)行操作的聲音,。操控臺(tái)還有一具顯示3D圖像的觸摸屏,。通過調(diào)整視角，醫(yī)生可以全方位觀察病人的病情,。

自1980年始,，外科機(jī)器人手術(shù)發(fā)展迅猛，從開始設(shè)想,，到現(xiàn)在每年超過500篇相關(guān)研究文獻(xiàn)發(fā)表在專業(yè)雜志上,。同樣的趨勢(shì)出現(xiàn)在使用達(dá)芬奇系統(tǒng)進(jìn)行的手術(shù)上，現(xiàn)在每年約有20~30萬次手術(shù)經(jīng)達(dá)芬奇系統(tǒng)執(zhí)行,。目前全球有1400多臺(tái)達(dá)芬奇機(jī)器人在近900家醫(yī)院投入使用,。2003年9月10日，首例遠(yuǎn)程醫(yī)療外科機(jī)器人臨床立體定向手術(shù)在北京海軍總醫(yī)院與沈陽醫(yī)院進(jìn)行,，身在北京的海軍總醫(yī)院神經(jīng)外科專家田增民主任通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遙控遠(yuǎn)在600公里以外的機(jī)器人“黎元”,，為沈陽的一名腦出血患者成功手術(shù)，這標(biāo)志著全國首例異地遙控機(jī)器人為患者手術(shù)順利完成,。2008年4月12日,，解放軍總醫(yī)院泌尿外科高江平教授與法國馬賽大學(xué)醫(yī)院的Bladou教授共同完成了國內(nèi)首例現(xiàn)場(chǎng)直播、通過控制機(jī)器人手臂實(shí)現(xiàn)的“達(dá)·芬奇機(jī)器人”腹腔鏡前列腺癌根治術(shù),。

達(dá)芬奇機(jī)器人設(shè)計(jì)手稿