機器人學是一門具有前瞻性的學科，旨在幫助人類克服一些重大挑戰。然而，在醫療機器人領域，清楚地了解研究界最近取得的成就，以及這些工作在臨床需求和商業化方面的地位，對于規劃未來發展路徑十分重要。近日，哈佛醫學院通過一篇綜述文章分析了過去十年醫療機器人領域的八個關鍵研究主題，通過搜索標準確定了十年中被引用最多的論文，目的是為讀者提供一種便捷的方式，可以快速認知過去十年來，科學家在醫療機器人領域取得的一些最激動人心的進展，該綜述文章已發表在《科學機器人》（Science Robotics）期刊上。早在 30 多年前，第一批機器人學家就開始探索使用機器人進行外科手術。20 年前，第一批商業機器人系統安裝在醫院。在過去十年內，醫療機器人發展勢頭強勁，目前世界各地的大型醫院都安裝了機器人手術系統，并進行了數百萬次手術。隨著醫療系統對手術機器人的接受程度越來越明顯，機器人學研究者越來越關注下一代醫療機器人的形態，注意力不限于外科機器人，也包括執行身體康復的機器人、用于患者與非現場醫護人員互動的臨場感機器人、藥房自動化、用于診所消毒的機器人等等。
圖｜10 年中 8 個熱門話題的臨床應用示例（來源：Science Robotics）
醫療機器人最初是為了讓外科醫生能夠遠程操作或提高對患者的精確性而開發的，但科研人員通常會將目光投向更遠的未來，超越商業開發活動，評估過去十年的研究活動，有助于瞥見未來幾十年醫學機器人將走向何方。
研究人員通過搜索 2010-2020 年期間《科學》雜志上被引用最多的醫療機器人論文，確定了八個熱門研究主題，包括機器人腹腔鏡、用于微創手術的非腹腔鏡機器人、輔助穿戴式機器人、治療康復機器人、膠囊機器人、磁驅動、軟體機器人和連續體機器人等。
圖｜熱門研究主題（來源：Science Robotics）
數據顯示，工程和醫學期刊上關于醫療機器人的出版物數量呈指數級增長，從 1990 年的 6 篇增至 2020 年的 3500 多篇。醫學期刊論文主要是關于腹腔鏡機器人的出版物（占總數的 60% 至 70%），伴隨著達芬奇外科手術機器人系統的成功，2020 年發表的相關論文超過 1300 篇。
圖｜達芬奇機器人手術系統
腹腔鏡手術相關的工程論文在 2019 年也達到了 126 篇的高峰，工程論文主要是治療康復和輔助可穿戴機器人，過去十年內，《醫療機器人》期刊 80% 的論文都與這兩個主題有關。然而，值得注意的是，這些主題的醫學論文數量不到工程論文數量的2 5%。這可能是因為醫學期刊論文經常報道臨床試驗的結果，這比工程研究的成本和時間都要高。此外，磁驅動技術是日趨成熟的，可以觀察到工程和醫學論文呈指數增長，這一主題的持續發展一定程度上取決于微型機器人的臨床應用能否得到發展。軟機器人學論文的圖表顯示，該主題仍處于開發周期的早期。
圖｜1990 年至 2020 年，醫療機器人技術論文發表在工程和醫學期刊論文上的增長趨勢（來源：Science Robotics）
連續體機器人技術是不尋常的，因為手動驅動的連續體式醫療器械早在 1990 年就存在了。近幾十年來，新的連續體機器人體系結構得到了發展，使這些設備成為機器人的關鍵進展不是機械設計，而是數學建模，關于這一主題的醫學論文起步緩慢，但新的臨床系統開發會讓相關論文不斷增多。膠囊機器人是最不成熟的，但卻是最專業的熱門話題技術。這項技術可能正處于拐點。如果這些機器人的能力能夠被證明足以取代目前的臨床方法，那么對這個主題的興趣將加速，有證據表明，磁驅動下的軟膠囊機器人就是這種情況，這種方法有可能在消化道內進行無創診斷和治療。
腹腔鏡機器人技術可能是醫療機器人技術中最成熟、商業上最成功的子領域。在過去十年中，在三個方面取得了進展：臨床、商業和學術，越來越多的研究是在臨床上進行的，例如，關于根治性前列腺切除術、膀胱癌根治性膀胱切除術、直腸癌切除術和子宮切除術的研究。在商業上，過去十年見證了達芬奇機器人的不斷進化發展，該系統能夠在機械臂上安裝內窺鏡和腹腔鏡器械、半自動手臂和患者推車定位，以及改進器械耦合，使用增長迅速，根據其年度報告，2019 年完成了 120 多萬個手術程序。與此同時，在過去十年中，達芬奇機器人的開發商直覺手術（ISRG）公司在機器人腹腔鏡手術中占據壟斷地位開始失效，導致幾家大型醫療設備公司啟動了開發自己的機器人的計劃，目前正在引進市場。十年來，學術研究在兩個方面取得了進展。第一個是使用腹腔鏡機器人作為開發增強能力的平臺，這方面的主要子主題包括：研究用開放式平臺機器人的引入、外科自動化發展的初步努力，以及將力傳感集成到腹腔鏡工具的持續工作。第二個研究方向是考慮新的機器人結構，可以減少手術的侵入性。具體而言，這個領域包含很多細分研究，例如：1）開放平臺，研究小組開發自己的腹腔鏡機器人系統是一項巨大而重復的任務，認識到這一需求，兩個小組為研究社區引入了開源機器人平臺，一個是 Raven II，這是一個非臨床機器人手術研究平臺；此外是一個控制包，即達芬奇研究工具包或 dVRK。2）手術自動化，腹腔鏡機器人系統用于執行廣泛的標準手術任務，它們還固有地提供儀器運動的完整驅動以及描述儀器運動的高質量視頻和豐富數據集，研究重點已轉向可能需要使用自動化輔助補充遙控機器人手術的用例，安全有效地自動化手術子任務的潛在好處包括提高精確度、融合非視覺或觸覺傳感器信息、遵守精確的術前計劃、改善重復性應力損傷和對外科醫生的其他生理危害。3）導航、術中成像和可視化，術前計算機斷層掃描或磁共振圖像用于生成在計算機控制下執行的手術計劃，而臨床醫生提供一般監督。隨著該領域開始關注軟組織手術，預先編程的動作讓位給臨床醫生指導的遠程手術控制。使用術中或術前數據的圖像引導在所有類型的機器人手術中變得越來越重要，這些技術能夠評估組織灌注和組織表面下解剖細節的可視化，最大限度地降低損傷神經和血管等潛在重要結構的風險。4）接觸力傳感與控制，手動和腹腔鏡器械都會將外科醫生的手從被操縱的組織上移開，從而扭曲或完全抑制力量和觸覺。觸覺傳感將允許在機器人手術期間在操縱器處再現組織觸診。此類傳感的技術障礙包括腹腔鏡器械的小尺寸（直徑 5 至 10 mm）、可重復使用器械中滅菌措施的熱和腐蝕性、一次性使用器械的成本以及傳感點和工具組織接觸點或區域之間施加的力學。5）單端口腹腔鏡機器人，與標準的開放式手術相比，腹腔鏡手術減少了侵襲性，但一個典型的手動或機器人手術需要對單個器械和可視化內窺鏡進行三個或四個切口。將多個儀器控件、驅動器和內窺鏡可視化功能組合到一個接入端口需要增加機械復雜性和密度。值得注意的創新單端口原型包括。6）分離式手術機器人，經典的腹腔鏡手術模式是通過一個孔/套管針在腹壁的一個樞軸點插入一個細長的器械，這種幾何結構從根本上限制了外科醫生完成手術任務所需的運動。打破這一限制的研究面臨著以下挑戰：在身體內部實現所有驅動和傳感，提供合適的電源和通信，設計獨立部署的機器人在手術現場的安全部署和檢索。腹腔鏡機器人技術最重要的進步是對患者最直接的好處，包括更好地治療腫瘤，減少對健康組織的切除，檢測和減少罕見的手術錯誤，減少手術過程中的創傷和感染風險等。
受達芬奇腹腔鏡手術機器人的成功啟發，過去十年中，外科醫生和工程師也在探索非腹腔鏡手術的新機器人解決方案。重點領域包括腔內和自然孔口干預以及顯微外科機器人。關于腔內和自然孔口手術，在過去十年中探索的外科機器人的新興應用中，研究人員注意到腔內和內窺鏡機器人的工作，其目的是通過消除皮膚切口進入內部解剖結構的需要，并通過提供允許沿著彎曲解剖通道更深入進入的解決方案，進一步降低發病率。最近還推出了新的商業系統，重點是用于自然孔口微創活檢的可引導導管。此外，顯微外科手術方面，視網膜顯微手術帶來了獨特的挑戰，超過了現有手動手術系統的能力。研究人員已經采取了三種方法來應對這些挑戰：（i）具有震顫過濾功能的手持式機器人，（ii）手持式（合作）機器人，以及（iii）具有遠程運動中心的遠程操作機器人，具有主動震顫消除功能的手持式機器人已被改進用于視網膜手術。研究人員相信，使用體內傳感來提高外科醫生的績效，能夠將術中感知與自適應輔助行為結合，將使外科醫生能夠實現快速臨床部署，并改善感知和性能。
輔助可穿戴機器人技術專注于可穿戴機器人設備的設計和控制，旨在提高肌肉骨骼或神經肌肉損傷患者的移動性或功能性。該領域的貢獻領域包括為上肢和下肢截肢患者開發機器人肢體（也稱為動力假肢），以及為神經肌肉損傷患者（如脊髓損傷、中風、多發性硬化患者）開發外骨骼（也稱為動力矯形器）。在過去的十年里，相關研究被引入到了人工膝關節和踝關節中。由于受電設備具有意志力，因此需要新的控制方法來確保人與設備之間的協調，實現這一點的方法包括分段無源阻抗控制和相位變量控制，建立了由數據簡化和分類方法組成的模式識別結構，能夠基于運動模式實時推斷給定的運動活動。除了外骨骼外，在這十年中還引入了軟“外骨骼服”的概念，相對于使用剛性連桿的外骨骼，軟外骨骼服使用低模量材料（通常與肌腱驅動一起）來傳輸運動輔助，而無需沿非驅動自由度施加次級運動約束。據推測，該領域將在未來十年內建立實用方法，幫助行動不便的個人。
康復機器人旨在為神經損傷（最常見的是中風和脊髓損傷）后的肢體提供重復運動治療，從而恢復個體的能力。這些機器人裝置能夠以誘導或促進神經可塑性的方式執行伸展、抓取、行走和腳踝運動，從而恢復運動范圍和運動協調性。一些康復機器人采用外骨骼的形式，適合腿、手臂或手，而另一些是末端效應器型機器人，通過手柄或腳平臺與人體接觸。康復的機器人既可以作為提供治療的手段，也可以作為評估的工具，提供傳統臨床評估所衡量的運動能力進展的精細視圖。自 20 世紀 90 年代早期引入康復機器人手段以來，在其設計、制造、控制和臨床方面取得了很多重要進展。在 2010-2020 年期間，康復機器人研究主要集中在四個領域。第一種是新穎的裝置設計，越來越多地采用外骨骼形式，重點放在上肢的遠端關節上，并結合了用于驅動和結構的順應性和軟材料；第二是開發新的控制算法，以調節人與機器人之間的交互，從而最大限度地吸引人的參與；第三是創建意圖檢測方法，以推斷和支持患者所需的運動，而不是規定或預先編程的軌跡；第四是擴大使用機器人設備對神經恢復進行客觀和定量評估，而不僅僅是治療的實施。在過去十年中，研究人員越來越關注手部和手腕康復機器人的設計，因為自我喂食、梳理和護理的能力需要手部功能和靈巧度的恢復。此外，康復機器人的控制方法也取得了令人印象深刻的進步，主要是那些促進機器人和患者之間合作的方法。研究人員還開發了新的方法來檢測患者的運動意圖，使用表面肌電圖來測量肌肉本身的電活動，或使用腦電圖（EEG）從頭皮表面記錄的電位變化來推斷意圖。盡管已經證明這類機器人設備能夠有效地為中風和脊髓損傷后的上下肢提供治療，但與傳統治療相比，迄今為止，功能的臨床結果指標改善并不明顯。未來的研究工作越來越集中于更好地理解神經可塑性的機制，包括如何可靠地誘導和利用神經可塑性以最大限度地提高治療效果，這些努力越來越依賴于神經科學的進步，包括記錄神經元活動的新技術。
在新千年伊始，科研界推出了無線膠囊內鏡，作為檢查胃腸道的一種微創方法。通過吞下“藥丸”在腸道深處采集圖像的可能性徹底改變了胃腸內窺鏡領域，并引發了一個全新的研究領域：醫用膠囊機器人。但研究界意識到了一個重大挑戰，對這種方法的熱情迅速下降：使用現有技術，將復雜機制（包括充足的電源）集成到“藥丸大小”的設備（通常為 24 毫米長、11 毫米直徑）是一種不切實際的解決方案。為了解決這一限制，探索了磁驅動的替代方法。磁耦合的使用繞過了復雜機制的需要，降低了電源需求，從而降低了設備的總體尺寸和復雜性。醫用膠囊機器人現在是標準介入內鏡的臨床可行替代品。雖然提供了一個優雅的機械解決方案，但該領域的研究人員面臨著開發可靠控制策略的挑戰——由于磁場的高度非線性特性，這是一項復雜的任務。后來通過將磁驅動與軟機器人技術相結合，成功地在藥丸大小的機器人中展示了有效的介入能力。一個由外部磁場操作的智能、兼容的設備顯示了主動移動到感興趣的位置并遞送藥物或收集組織活檢的可行性。實現這一點的關鍵因素是引入了實時定位技術，了解膠囊的位置和方向（即姿勢）對于規劃所需運動的磁力和扭矩應用至關重要，臨床上可行的定位實例主要基于磁定位。隨著下一個十年的開始，當與多模式成像（例如，多光譜、自體熒光和微超聲）和微/納米機器人技術相結合時，膠囊機器人的智能磁控制可能提供前所未有的診斷和治療能力。
使用磁場提取意外嵌入眼睛內的鐵屑的證據至少可以追溯到 17 世紀，也可以追溯到工業革命時期。在 20 世紀 50 年代，第一次研究在導管尖端安裝磁鐵來引導導管。在過去的十年中，磁驅動領域的一個重要突破是多自由度電磁導航系統建模。這項工作概括了任意數量的幾何排列的電磁學的物理和數學，以在給定的磁性體上施加磁力和轉矩。此外，受鞭毛細菌螺旋運動和精子等鞭毛真核生物行波運動的啟發，第一批磁導微機器人出現在 2010 年之前。螺旋結構尤其適合于磁驅動，因為旋轉場產生的轉矩與流體阻力轉矩成比例。在過去的十年中，穩健的制造技術和有效的模型已經被開發出來，為開發能夠執行有用的醫療任務的微型機器人創造了機會。如果放寬對磁性材料選擇的限制，使磁性顆粒被納入柔性聚合物結構中，那么可以創建毫米級機器人設計，展示出了許多新的和令人興奮的運動策略。目前磁驅動的趨勢表明，磁端導管和內窺鏡的研究也正在回歸其根源，人們越來越感興趣的原因是，人們有望以更小的規模生產出比復雜的拉線或電機設備更經濟的可操作醫療設備。這些磁場和磁場梯度可以無害地穿透整個人體，下一個十年將看到使用這項技術實現更有效的醫療治療，從而迅速加速商業努力。
基于軟概念、內在柔順結構和智能材料的機器人技術從一開始就與仿生學和生物靈感學緊密結合。另一方面，人們對具有柔順身體的仿生機器人越來越感興趣，這推動了智能材料的研究，這些材料可用于制造軟機器人，或為軟機器人提供傳感和驅動能力，從宏觀到納米尺度。考慮到過去十年中被引用最多的論文（不包括材料論文和調查論文），可以確定與醫學相關的兩種工作類型：一種包括用于康復或人體增強的可穿戴軟機器人；第二類包括用于介入和外科手術的機器人或用于介入和外科手術的組件。關于手術和干預領域，可以確定三個平行的子主題：（i）用于手術或干預的軟設備，其中整個傳統設備被軟機器人設計所取代，包括宏觀和微觀規模；（ii）軟、仿生或兼容組件，可作為獨立設備工作，或可集成到更傳統的系統中；（iii）先進模擬器的軟組件和系統，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。有一個最近的研究方向，不容易歸入任何類別，軟機器人用于體內輔助或治療設備，軟機器人技術也在培育軟材料和新型制造技術的研究，這可以在生物醫學應用中開辟意想不到的途徑。
連續體機器人通過彎曲變形而不是通過離散關節改變形狀，它們可以通過自然孔口進入身體，在體腔中導航，并在通過固體組織時繞過關鍵結構。與傳統設計相比，連續體機器人的彎曲順應性也提高了其安全性。這種技術的一種變體，稱為多骨架設計，用既能施加拉力又能施加壓縮力的桿代替鋼筋束。在 2010-2020 年期間，連續體機器人的研究集中在四個領域：（i）將外部接觸和負載納入機器人建模和控制中；（ii）開發控制機器人剛度的方法；（iii）創建“軟”連續體機器人，以及（iv）為特定臨床應用設計連續體機器人。一個重要的研究方向是將外部荷載納入運動學模型，并從運動輸入變量（例如，鋼筋束張力）推斷外部荷載，或提出了一種無模型方法，其中在任務執行期間估計接觸約束運動學模型。過去十年的重要工作也已經發展了機械設計方法，用于增強和控制連續機器人的剛度，對于固有剛度足夠的情況，已經開發了控制算法，可以修改運動學輸入，以實現所需的葉尖剛度。部分連續體機器人通常由柔順的聚合物材料制成，最早的一些例子是氣動或液壓驅動的，隨著軟機器人技術在過去十年中的爆炸性增長，這些驅動方法和使用更符合要求的材料現在正在探索用于醫療應用。盡管早期驗證實驗本質上是學術性的，很少關注最終的醫療應用，但在過去十年中，人們越來越重視創建原型系統，這些技術示范項目可以直接導致商業化努力。同樣重要的是，特定于程序的原型有助于識別關鍵知識缺口，從而刺激未來的基礎研究。
圖｜增加醫療機器人的特定應用趨勢
工程雜志的出版物涵蓋了醫療應用新機器人技術的創造和新型醫療機器人的設計，醫學雜志的出版物通過評估人類患者中現有的機器人設計完成了研究過程。
盡管該領域還不能指出臨床試驗表明機器人手術為患者提供了更好的手術結果，或與非機器人手術相比降低了手術成本，但已經證明了許多患者的益處，這些措施包括縮短住院時間、加快康復、減少再手術和減少輸血。對于外科醫生來說，醫療機器人提供了更好的人體工程學，與直接手控程序相比，機器人可以減少頸部和背部疼痛以及手部和手腕麻木，減少身體和精神壓力，機器人技術也可以顯著減少外科醫生和患者的輻射暴露，這些因素一定程度上提高了外科醫生的從業質量，并有可能延長他們的職業生涯。為了推動這一進程，將未來的工程研究工作引導到最有希望的方向將是有益的，這就需要了解機器人及其基礎技術如何在醫學上增加價值。例如能量輸送機器人（用于放射治療的機器人）提供精度、可重復性和速度的組合，這是其他方法難以比擬的。類似地，與非機器人設備相比，電動假肢可以增加日常生活任務的數量和質量，從而直接改善患者的預后。同樣，膠囊機器人最終可能會取代一些開放式腸道手術，提高難以到達身體部位的診斷可能性，減少現有腔內腸道手術的不適感。在指導機器人技術研究以實現增值最大化的過程中，最重要的技術目標是那些能夠基于當前技術實現的新型干預措施的目標。在未來十年中，軟機器人技術很可能成為一項非常重要的使能技術。
（來源：Wikimedia Commons）
目前，材料界也正在開展許多最有希望的工作，這些工作涉及利用嵌入式傳感器和驅動器創建薄聚合物層。盡管這項工作現在似乎離醫療應用還很遠，但這些能力可能會對介入、康復和輔助機器人產生重大影響，傳感、成像、驅動和能量存儲方面的其他使能技術也可能作為消費電子產品的交叉點出現。自1990年以來，在19000多篇關于醫療機器人技術的工程論文中，只有少數幾篇可以被認為能夠用于現有的商業醫療機器人。即使是具有高技術影響力的論文，其專利引用數量也不多，在某種程度上，這可能是由于技術開發與其商業應用之間可能出現的嚴重滯后，也許，一個同樣重要的因素是技術研究與醫療器械商業化現實之間的不匹配。將機器人技術應用于臨床所需，不僅僅是撰寫被廣泛引用的研究文章，而是必須確定真正的臨床需要，必須開發相關技術來滿足這些需求，考慮機器人如何為臨床醫生和患者增加價值的細節。此外，也必須開發有吸引力的商業模式，以確保能夠獲得足夠的投資，使技術通過復雜的路徑，任何醫療設備都必須通過這些路徑才能取得商業成功，這些潛在的機會意味著技術研究者需要離開他們的象牙塔，與臨床醫生、監管機構、投資者和商業界形成更為深入的合作。
參考資料：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abi8017
本文來自微信公眾號“學術頭條”（ID：SciTouTiao），作者：學術頭條，36氪經授權發布。
