远距离手术操纵系统的研究
暨南大学医学院第二附属医院消化内科 广东省深圳市 518001
朱惠明，男，1951-11-04生，湖北省武汉人，汉族.1987年同济医科大学博士研究生毕业，1988年～1992年在意大利米兰大学任博士后研究员 ，主要从事消化系统治疗内镜及胃肠动力学疾病研究.在国内外发表论文50篇，参加撰写专著5部，入选英国剑桥人物传记中心出版物《Who's Who in Medicine》第2版.现任 消化内科主任，副教授，为4种杂志编委，本刊英文版编委.
项目负责人:朱惠明，广东省深圳市东门北路3号
Tel:0755-5533018-2587
收稿日期:1996-06-02 接受日期:1996-07-09
主题词 外科学，腹腔镜;远程医学
, 百拇医药
Subject headings Surgery, laparoscopic;Telemedicine
朱惠明.远距离手术操纵系统的研究.新消化病学杂志,1997；5(3)：137-138
经腹腔镜进行腹部外科手术的成功，标志着外科领域应用先进技术新时代的到来. 近年来人们研究的重点由腹腔镜转向远距离手术操纵系统.研制远距离手术操纵系统的构想 起源于一个愿望，即希望有一种装置能够让高水平的外科医生或内镜医生在其医疗中心为边 远地区、危险地带、发展中国家甚至太空站的患者做手术.此外，对于一些重复性强、枯燥无味使人很容易疲劳的手术操作，以 及需要很高的精确度，超出人类生理功能的手术操作，也希望由智能手术操纵系统来完成， 现在这一愿望已初步实现.远距离手术操纵系统广泛采用了机器人、全球网络通讯技术、 医用内镜技术和远距离声像传输显示技术，因此，远距离手术操纵系统实际上是现代高 新技术的集大成.
, 百拇医药
1 远距离手术操纵系统的构造、工作方式与优点
远距离手术操纵系统由操纵台、效应器和监视装置三部分组成.操纵台按其工作方式的不同 分为操纵杆式和按键式.效应器亦分为两种，即“机械臂”式效应器和机器人式效应器，前者和操纵杆式操纵台配套工作，后者则与按键式操作 台配套工作.监视装置由安装在效应器上的摄像机与麦克风，安装在操作台上的三维图像传输系统和立体声装置，通过卫星通信网络传输信号.借助监视装置，医生坐在操纵台前 可指导机械臂或机器人为患者手术[1].远距离手术操纵系统的工作方式有两种：①主-仆式；②程序控制机器人式.主-仆式远距离手术操作的方法是医生坐在操纵台前，通过操纵杆控制远处的机械臂进行手术操作.在这种操作方式中，医生起着主人即主导者的作用，机械臂则充当着仆人，即被使役者的作用.通过这种方式，医生和机械臂进行一对一主-仆式远距离手术操作.程序控制机器人皆毒嗬胧质醪僮菔怯梢恢种悄苁质跗餍迪低即机器人充当手术操作者，而医生则在操纵台前通过按键输入程序指令起指导作用.远距离手术操纵系统的效应器是机器人，具有自身的智能(实际是人工智能)，只需要在医生 的指导下就能独立完成部分或全部手术.因此远距离手术操作实际上是医生通过操纵台、监视装置、全球通讯网络和机器人进行的一种手术.通过这种方式，医生不但“视力”大为增强，其“手臂”也大大延长[2].如前所述，某些边远地区、危险地带甚至未来的太空站的患者需要手术治疗， 身处万里之遥的外科医生
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本刊英文版编委朱惠明教授与其导师，欧洲消化病学会主席，意大利米兰大学消化科主任，比安格·波罗教授在《临床消化病学杂志》编辑部工作时的合影.
或内镜医生能够及时为其解忧.此外在医生的指导下，远距离手术操纵系统能灵巧、准确地完成变化多端的各种手术.
2 远距离手术操纵系统的实验研究与临床应用
德国卡尔斯鲁厄核医学中心技术工程部研制出一种用于内镜手术的电子主-仆式操纵系统. 该系统主要由以下部分组成：①操纵台：操纵台是用以控制支配效应器的装置.操纵台上有 操纵杆，通过操纵杆能控制终端效应器和各种治疗工具.操纵台的各种命令通过一个类似手杖的装置传递到效应器，各个关节由电机驱动，位置由传感器检测，通过电脑随时分析判断 其位置.②终端效应器：主要是执行吸引、灌洗、抓提、止血、缝合以及组织切除等功能.设计要求易弯曲和多用性，并能带简单工具如激光.现在也在设计不同的终端效应器用于不同的专科如神经外科、眼科、泌尿科、妇产科等.③传感器：在远距离手术操纵系统中起关键作用.现在有许多微型传感器问世，其作用：代替医生手的感觉，在操纵中起判断作用，控制远距离操纵杆和终端效应器的路径与活动，监测远距离操纵杆的各种功能.④三维显像：1992年在连续显示图像的基础上，应用一种高速发 射技术研制出了三维显像.这种三维显示系统为医生提供了最好的显像装置.⑤智能控制系统：主要功能是图像和数据处理，并负 责远距离操纵的安全，中央控制和监测系统是远距离操纵系统的心脏和大脑.⑥模型与图像模拟：模型与图像模拟一方面要考虑远距离操纵装置、装载系统和终端的几 何图形，又要照顾手术操作的位置，前者是靠数据和设计实现的，后者则靠B超、CT、MRI等提 供资料.模型与图像模拟有利于设计手术方式和制订手术方案.⑦人-机相互作用：通过手杖样装置进行人-机相互作用.目前该系统已用于临床试用，但卡尔斯鲁厄核医学中心技术 工程部的研究人员仍在进一步研究之中.德国圣·英格柏尔特生物医学工程研究所研制出智能手术器械系统样机，并对其控制系统、手术区域的操纵、传感器反馈、效应装置等进行了动物实验.该所研究人员的设计思想是希望智能手 术器械系统满足以下要求：智能手术器械系统所有功能由操纵台中央控制，三维显示图像，传感器和压力反馈，器械在手术野能适当移动，适合手术需要如切除、 止血、手术部位的清洁、缝合、移送标本等.动物实验证明，该所研制的智能手术器械系统 样机能满足上述设计要求[3-4]. 在远距离手术操纵系统临床应用方面，Wickham等应用远距离手术操作系统完成经尿道摘除 前列腺的远距离手术.他们将机械臂放在患者的会阴部，机械臂的末端有精确的自动切除装置，在泌尿外科医生的指导下，由电脑来完成手术.其结果，手术过程快捷而且精确、手术时间缩短、患者失血减少.据报道已经有近百人接受这种手术治疗.Paul研制的 机器人可将患者的病变股骨和将要替代的股骨假体进行CT扫描，通过计算机整合，根据扫描 结果，远距离手术操纵系统(实际上是安装在机器人手臂上的整形设备)能接受指令很精确地 去掉病变股骨并准确的安装上假体.手术开始后，机器人的手臂首先定好位，医生按动控制 键，机器人凿开并取出病变股骨，然后将助手 交给的假体放到相应的部位后关闭伤口，手术即告结束.目前，除了在狗体内股骨置换术已 经获得成功外，还为几批患者进行了相同手术[5]. 总之，人们预计，到21世纪时，外科医生不再受时间和空间的限制，手术能在正常状 态无法到达的地方进行.医生也不再受自身感官不足的限制，能够在X线显像或者在细胞的显 微部分准确的工作.远距离手术操纵系统不仅应用于外科和内镜领域，还将广泛应用于各学 科如远距离放射介入、远距离显微外科，甚至远距离细胞超微手术操作.
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3 参考文献1 Satava RM, Simon IB.Teleoperation, telerobtics and telepresence in surgery.End Surg, 1993;1(3):151-153
2 Rininsland HH.Basics of robots and manipulators in endoscopic surgery.End Surg, 1993；1(3):154-159
3 Davies GL, Hibber RD, Timothy AG, et al.The development of a surgeon robot for prostatectomies.
J of Engineering in Medicine, 1991;205(1):35-38
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4 Timothy AG, Davies GL, Hibber RD, et al.Use of robots in surgery: development of a frame for
prostatectomy. J of Endourol, 1991;5(3):165-168
5 Melzer A, Schurr MO, Dautzenberg P, et al.Erhohungder freiheitsgrade beiinstrumenten fur die
minimal invasive chirurgie. Langenbecks Arch Chir,1992;12(3):279-285, 百拇医药
朱惠明，男，1951-11-04生，湖北省武汉人，汉族.1987年同济医科大学博士研究生毕业，1988年～1992年在意大利米兰大学任博士后研究员 ，主要从事消化系统治疗内镜及胃肠动力学疾病研究.在国内外发表论文50篇，参加撰写专著5部，入选英国剑桥人物传记中心出版物《Who's Who in Medicine》第2版.现任 消化内科主任，副教授，为4种杂志编委，本刊英文版编委.
项目负责人:朱惠明，广东省深圳市东门北路3号
Tel:0755-5533018-2587
收稿日期:1996-06-02 接受日期:1996-07-09
主题词 外科学，腹腔镜;远程医学
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Subject headings Surgery, laparoscopic;Telemedicine
朱惠明.远距离手术操纵系统的研究.新消化病学杂志,1997；5(3)：137-138
经腹腔镜进行腹部外科手术的成功，标志着外科领域应用先进技术新时代的到来. 近年来人们研究的重点由腹腔镜转向远距离手术操纵系统.研制远距离手术操纵系统的构想 起源于一个愿望，即希望有一种装置能够让高水平的外科医生或内镜医生在其医疗中心为边 远地区、危险地带、发展中国家甚至太空站的患者做手术.此外，对于一些重复性强、枯燥无味使人很容易疲劳的手术操作，以 及需要很高的精确度，超出人类生理功能的手术操作，也希望由智能手术操纵系统来完成， 现在这一愿望已初步实现.远距离手术操纵系统广泛采用了机器人、全球网络通讯技术、 医用内镜技术和远距离声像传输显示技术，因此，远距离手术操纵系统实际上是现代高 新技术的集大成.
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1 远距离手术操纵系统的构造、工作方式与优点
远距离手术操纵系统由操纵台、效应器和监视装置三部分组成.操纵台按其工作方式的不同 分为操纵杆式和按键式.效应器亦分为两种，即“机械臂”式效应器和机器人式效应器，前者和操纵杆式操纵台配套工作，后者则与按键式操作 台配套工作.监视装置由安装在效应器上的摄像机与麦克风，安装在操作台上的三维图像传输系统和立体声装置，通过卫星通信网络传输信号.借助监视装置，医生坐在操纵台前 可指导机械臂或机器人为患者手术[1].远距离手术操纵系统的工作方式有两种：①主-仆式；②程序控制机器人式.主-仆式远距离手术操作的方法是医生坐在操纵台前，通过操纵杆控制远处的机械臂进行手术操作.在这种操作方式中，医生起着主人即主导者的作用，机械臂则充当着仆人，即被使役者的作用.通过这种方式，医生和机械臂进行一对一主-仆式远距离手术操作.程序控制机器人皆毒嗬胧质醪僮菔怯梢恢种悄苁质跗餍迪低即机器人充当手术操作者，而医生则在操纵台前通过按键输入程序指令起指导作用.远距离手术操纵系统的效应器是机器人，具有自身的智能(实际是人工智能)，只需要在医生 的指导下就能独立完成部分或全部手术.因此远距离手术操作实际上是医生通过操纵台、监视装置、全球通讯网络和机器人进行的一种手术.通过这种方式，医生不但“视力”大为增强，其“手臂”也大大延长[2].如前所述，某些边远地区、危险地带甚至未来的太空站的患者需要手术治疗， 身处万里之遥的外科医生
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本刊英文版编委朱惠明教授与其导师，欧洲消化病学会主席，意大利米兰大学消化科主任，比安格·波罗教授在《临床消化病学杂志》编辑部工作时的合影.
或内镜医生能够及时为其解忧.此外在医生的指导下，远距离手术操纵系统能灵巧、准确地完成变化多端的各种手术.
2 远距离手术操纵系统的实验研究与临床应用
德国卡尔斯鲁厄核医学中心技术工程部研制出一种用于内镜手术的电子主-仆式操纵系统. 该系统主要由以下部分组成：①操纵台：操纵台是用以控制支配效应器的装置.操纵台上有 操纵杆，通过操纵杆能控制终端效应器和各种治疗工具.操纵台的各种命令通过一个类似手杖的装置传递到效应器，各个关节由电机驱动，位置由传感器检测，通过电脑随时分析判断 其位置.②终端效应器：主要是执行吸引、灌洗、抓提、止血、缝合以及组织切除等功能.设计要求易弯曲和多用性，并能带简单工具如激光.现在也在设计不同的终端效应器用于不同的专科如神经外科、眼科、泌尿科、妇产科等.③传感器：在远距离手术操纵系统中起关键作用.现在有许多微型传感器问世，其作用：代替医生手的感觉，在操纵中起判断作用，控制远距离操纵杆和终端效应器的路径与活动，监测远距离操纵杆的各种功能.④三维显像：1992年在连续显示图像的基础上，应用一种高速发 射技术研制出了三维显像.这种三维显示系统为医生提供了最好的显像装置.⑤智能控制系统：主要功能是图像和数据处理，并负 责远距离操纵的安全，中央控制和监测系统是远距离操纵系统的心脏和大脑.⑥模型与图像模拟：模型与图像模拟一方面要考虑远距离操纵装置、装载系统和终端的几 何图形，又要照顾手术操作的位置，前者是靠数据和设计实现的，后者则靠B超、CT、MRI等提 供资料.模型与图像模拟有利于设计手术方式和制订手术方案.⑦人-机相互作用：通过手杖样装置进行人-机相互作用.目前该系统已用于临床试用，但卡尔斯鲁厄核医学中心技术 工程部的研究人员仍在进一步研究之中.德国圣·英格柏尔特生物医学工程研究所研制出智能手术器械系统样机，并对其控制系统、手术区域的操纵、传感器反馈、效应装置等进行了动物实验.该所研究人员的设计思想是希望智能手 术器械系统满足以下要求：智能手术器械系统所有功能由操纵台中央控制，三维显示图像，传感器和压力反馈，器械在手术野能适当移动，适合手术需要如切除、 止血、手术部位的清洁、缝合、移送标本等.动物实验证明，该所研制的智能手术器械系统 样机能满足上述设计要求[3-4]. 在远距离手术操纵系统临床应用方面，Wickham等应用远距离手术操作系统完成经尿道摘除 前列腺的远距离手术.他们将机械臂放在患者的会阴部，机械臂的末端有精确的自动切除装置，在泌尿外科医生的指导下，由电脑来完成手术.其结果，手术过程快捷而且精确、手术时间缩短、患者失血减少.据报道已经有近百人接受这种手术治疗.Paul研制的 机器人可将患者的病变股骨和将要替代的股骨假体进行CT扫描，通过计算机整合，根据扫描 结果，远距离手术操纵系统(实际上是安装在机器人手臂上的整形设备)能接受指令很精确地 去掉病变股骨并准确的安装上假体.手术开始后，机器人的手臂首先定好位，医生按动控制 键，机器人凿开并取出病变股骨，然后将助手 交给的假体放到相应的部位后关闭伤口，手术即告结束.目前，除了在狗体内股骨置换术已 经获得成功外，还为几批患者进行了相同手术[5]. 总之，人们预计，到21世纪时，外科医生不再受时间和空间的限制，手术能在正常状 态无法到达的地方进行.医生也不再受自身感官不足的限制，能够在X线显像或者在细胞的显 微部分准确的工作.远距离手术操纵系统不仅应用于外科和内镜领域，还将广泛应用于各学 科如远距离放射介入、远距离显微外科，甚至远距离细胞超微手术操作.
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3 参考文献1 Satava RM, Simon IB.Teleoperation, telerobtics and telepresence in surgery.End Surg, 1993;1(3):151-153
2 Rininsland HH.Basics of robots and manipulators in endoscopic surgery.End Surg, 1993；1(3):154-159
3 Davies GL, Hibber RD, Timothy AG, et al.The development of a surgeon robot for prostatectomies.
J of Engineering in Medicine, 1991;205(1):35-38
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4 Timothy AG, Davies GL, Hibber RD, et al.Use of robots in surgery: development of a frame for
prostatectomy. J of Endourol, 1991;5(3):165-168
5 Melzer A, Schurr MO, Dautzenberg P, et al.Erhohungder freiheitsgrade beiinstrumenten fur die
minimal invasive chirurgie. Langenbecks Arch Chir,1992;12(3):279-285, 百拇医药