撰文 | 周鸣川(慕尼黑工业大学机器人与嵌入式研究所)  
          师云雷(微创医疗机器人有限公司研发部)

责编 | 蒋海宇
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2018年6月18日,英国牛津大学发布消息称,该校一个团队在新型医疗机器人设备辅助下,为多名病患完成了眼部手术。牛津大学称,此次临床试验证明相关机器人技术能安全、可靠地应用在这类对精确度要求极高的手术中。
该研究主要由英国牛津大学附属眼科医院,及荷兰埃因霍温Preceyes BV公司共同完成。牛津大学提供临床条件,Preceyes BV公司提供该公司研发的显微手术机器人:PRECEYES 手术系统(图1)
临床试验中,病人都患有视网膜黄斑裂孔,需要进行视网膜部分膜层剥除操作(一种典型的玻璃体视网膜手术),以修复裂孔改善视力。
图1  PRECEYES 眼科手术机器人系统(来源:Eindhoven University of Technology)
“Preceyes公司实施的玻璃体视网膜手术并非眼科手术中最难的类型,毕竟很多医生徒手也能完成手术,但是PRECEYES手术机器人系统确实是个很好的应用。”约翰·霍普金斯大学高级医用器械和机器人研究实验室副教授Iulian I. Iordachita告诉《知识分子》。
“同样做眼科机器人的鲁汶大学更有优势,因为他们设计的协同手机器人能帮医生实施徒手无法完成的手术,比如视网膜静脉插管术(RVC)。”他在邮件中写道。
什么是玻璃体视网膜手术?
玻璃体视网膜手术对精度要求极高。医生需要在巩膜上安放三只套管:一只用来安放眼压泵,以保证手术过程中的正常眼压,使眼球保持充盈外形;一只套管放置显微眼科手术器具;最后一只套管放置光纤,供手术照明。

图 2 玻璃体视网膜手术示意图(来源:Zhou et al. 2018)
手术主要面临三方面的挑战。一是精度要求:理想手术操作精度要求为10微米(头发直径约为80微米,医生手部物理抖动幅值一般为100微米)。二是手术中微弱的触觉反馈:眼科手术器械与视网膜作用力在15毫牛以下(1牛=1000毫牛,一个鸡蛋重力约为0.5N)。三是手术中微弱的视觉反馈:此类手术发生在眼球内部,因此需要光纤照明,又因为视网膜透明,所以手术视野很差。因此,该手术需要多种仪器,经历繁杂的手术流程,一般由主刀医师,及多个助理医师,协助操作完成。
图 3 PRECEYES的主操作手结构。该操作手安装有电机,可向医生提供力反馈。图片来源:Eindhoven University of Technology YouTube Channel
图 4 PRECEYES的从操作手机构,呈双平行四边形。
临床方案及结果
12位患有视网膜黄斑裂孔的病人进行了手术,病人被随机分配到2个小组,分别由医生手动,或者由医生操作机器人完成。手术由两个指标评估:手术成功率和手术持续时间。

实验结果表明,手术成功率差别不大,皆为100%;但是机器人辅助手术的操作时间更长。机器人辅助手术全部操作平均持续时间为55min,而手动操作全部手术平均时间为31min。
该研究同时还应用机器人,配合卡尔·蔡司术中OCT成像仪器Rescan 700,进行了视网膜下注射。研究表明,这款机器人辅助手术在眼科视网膜显微手术中是安全可行的。
图 5 手动手术和机器人辅助手术指标对照。图a,b为关键步骤操作时间,图c为全部手术操作时间,机器人劣势明显;图d为微损伤数量对比,这项机器人占优,但是统计学意义不明显。(来源:Edwards etal. 2018)
该团队发表的文章,讨论了医疗机器人在手术中的应用争议。机器人手术提高了操作精度,但是往往延长了手术时间;并且,机器人手术的临床效果,并不比经验丰富的医生优秀太多。该团队因此认为,人机交互的效率需要进一步优化,这将是影响眼科手术机器人推广的重要因素。
笔者认为,手术机器人的早期优势在于能够降低学习曲线,增加能做相应手术的医生数量,从而救治更多的病人;远期优势则在于能够应用自动化、智能化的技术提高人机交互水平,并将手术流程和操作标准化,最终提高手术的效果和效率。
“后续的研究重点,会在机器人系统的设计上,使机器人更容易被眼科医生所接受,并优化机器人系统的学习曲线,以及进一步提高机器人系统使用过程的安全性等等。” Iordachita说。
知识分子小黑板
主从遥手术机器人(Master-slave Robot Remote Surgery)
主从遥是一种机器人的控制方式,即从机器人跟随主机器人的指令运动。遥控玩具车便是利用主从遥的控制方式。除了主从遥机器人,机器人还能通过其他方式帮助医生,比如:医生和机器人共同控制手术器械,以及基于磁力控制的微型机器人。目前仍然活跃的中国研究单位主要有北京航空航天大学及中山大学。
参考文献:
1. Edwards T L, Xue K, Meenink H C M, et al.First-in-human study of the safety and viability of intraocular roboticsurgery[J]. Nature Biomedical Engineering, 2018.
2. Zhou, Mingchuan; Huang, Kai; Eslami, Abouzar; Roodaki, Hessam;Zapp, Daniel; Maier, Mathias; Lohmann, Chris P.; Knoll, Alois; Nasseri, M.Ali: Precision Needle Tip Localization using Optical Coherence Tomography Images for Subretinal Injection. 2018 IEEEInternational Conference on Robotics and Automation(ICRA), 2018
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制版编辑|皮皮鱼
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