你见过经口机器人吗？港中文发表综述，介绍这一医疗器械最新进展

大数据文摘转载自机器人大讲堂

你知道吗？头颈癌是全球第七大常见的癌症，包括口咽癌、喉癌、下咽癌、鼻咽癌等。该病全球每年新发病例超过71万，死亡病例超过36万，并且发病率仍在不断上升。

自20世纪90年代初期以来，化疗和放疗是医生治疗头颈癌症的首选疗法。这是因为癌变部位十分隐蔽，如要进行侵入性开放外科手术，则会影响到人体器官的重要功能，且切口留疤非常容易给患者的身心带来极大的痛苦。

与传统的开放外科手术不同，经口咽入路的机器人手术（经口手术）不需要外缘切口，而是借助细长的机器臂以及微小的外科工具提高了手术的成功率。与常规手术方法相比，经口手术有减少疼痛及出血、降低并发症风险、使患者快速恢复等优点。

近日，来自香港中文大学的Hongliang Ren教授团队在中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊Cyborg and Bionic Systems发表了综述A Survey of Transoral Robotic Mechanisms: Distal Dexterity, Variable Stiffness and Triangulation，该综述总结了目前关于经口机器人的分类研究，其中包括远端灵巧机构、变刚度机构以及三角测量机构，并介绍了商业化的经口机器人（如达芬奇手术机器人），使读者了解到这一医疗器械的新进展。

简单来说，经口机器人通过清晰的成像系统和灵活的机械臂，以微创的手术形式，协助医生实施复杂的外科手术，完成术中定位、切断、穿刺、止血、缝合等操作。

这样的手术机器人也有不同的种类。根据经口机器人的刚柔性特点，可将其分类为1.远端灵巧性机构、2.可变刚度机构和3.三角测量机构。其中，远端灵巧性机构又可以根据机构组成细分为：1）串联机构、2）连续机构、3）并联机构和4）混合机构。

串联机构的机器人结构多样，具有高精度、大负载能力的特点，基于齿轮传动的串联机构手术机器人如下所示：

图.基于串联机构的齿轮手术机器人

并联机构不仅拥有串联机构的特点，而且还具备多自由度的运动特点，可以像人类手腕一样灵巧。

图.人类手腕的灵活性

图.各类并联机构手术机器人机构

然而，不管是串联还是并联机构的机器人，它们的刚度很大，而且结构庞大，不利于微创手术的应用。而连续体机构的出现解决了这一问题，这类机构可以显著缩小手术机器人的整体尺寸，如下所示。其中，具有高度灵活性的气动软体驱动器常被应用于连续体机构手术机器人。

图.具有柔性体的连续体机构

图.气动软体机构

连续体机构具有结构简单、易于制造、体积小、刚度低的特点。然而与串联机器人相比，连续体机构的工作空间和灵活性有所降低，而且控制精度低和有限负载能力限制了其在医疗领域的应用。

事实上，还有一种结合了刚性机构和连续体机构的混合机构。采用这种混合机构的机器人既有并联机器人的高精度、高可靠性和强度等优点，又有连续体机器人紧凑性和柔顺性的优点。

图.基于混合机构的手术机器人

考虑到人体内部都是十分柔软的组织，为了拓展手术机器人在腔内手术的应用范围，研究人员设计出了一种低熔点合金驱动器。

该类驱动器在熔点下可以在固态和液态之间转换，从而实现可变刚度。此外，还有被广泛应用于机器人领域的智能材料——形状记忆合金驱动器，这两类可通过温度控制的手术机器人如下所示：

图.基于可变刚度机构的手术机器人

然而，由温度控制的机器人无法避免的一个问题是有较长的冷却时间和较低的响应频率，这限制了机器人的临床应用。此外，低熔点合金驱动器含有有毒元素，对患者构成安全风险。

除了变刚度机构手术机器人之外，常用于腔内手术的还有三角测量手术机器人。其特点在于可提供足够的工作空间，并为各种手术操作提供充足的驱动力。

通过这类机器人，可以引入铰接柔性器械，在难以到达的解剖位置提供一致的三角测量，而传统手术器械可能无法进入，并且难以用当前的内窥镜器械进行治疗。

图.被动三角测量的手术机器人

在此之上，研究人员还提出了延展机构以提高运动精度和负载能力，如下所示。但该类手术机器人的工作空间和远端灵巧性囿于机器人的尺寸，导致应用范围有限。

图.具有延展机构的手术机器人

文末，作者对比了上述手术机器人的优缺点，并指出发展趋势。

虽然经口手术用时较长，但是能够减少患者创伤、缩短患者住院时间、提高诊断准确性并改善治疗结果。新的机器人技术应解决经口机器人手术带来的挑战，并开发具有改进性能的手术机器人，以克服当前设计的局限性并探索经口机器人手术的全部潜力。

新的机构，特别是柔性并联机构，可以采用超弹性材料，而不是传统并联机构采用的刚性连杆和复杂部件，有望产生灵巧的运动，旨在解决经口机器人在大小、工作空间、灵活性、灵巧性、负载能力和安全性方面的问题，从而降低传统手术导致的出血、术后感染等风险，同时提高手术的精确度，减少手术时间，使广大患者的疗效得到保障。

总而言之，新的机器人技术可以显著改善头颈癌患者的生活质量和生存率，并且还将在促进其他管腔内手术的技术进步方面发挥重要作用。

论文地址：

https://spj.science.org/doi/abs/10.34133/cbsystems.0007

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