本文是一篇发表于 biomedical engineering letters（2023年13卷，页码561–569）的综述论文，题为《soft tissue surgical robot for minimally invasive surgery: a review》。该文由 minhyo kim、youqiang zhang 和 sangrok jin 共同撰写，其中前两位作者为并列第一作者，通讯作者为来自韩国釜山国立大学机械工程学院的 sangrok jin。论文于2023年6月14日投稿，2023年9月8日修订，2023年9月26日接受，2023年10月13日在线发表。本文不属于单一原创研究，而是一篇针对软组织手术机器人技术现状、关键技术和未来趋势的综述性学术论文。下面将围绕该文的主要观点与论据进行系统介绍。

论文开篇即指出，微创手术是近年来外科技术发展不可阻挡的大趋势，腹腔镜手术自20世纪末以来迅速取代了传统的开腹手术。腹腔镜手术通过几个通常直径小于15毫米的小切口建立通道，将内窥镜摄像机和专门的长杆手术器械插入体内。较小的创伤带来了更少的出血、更低的感染风险和更短的恢复期，且患者疼痛更轻、疤痕更少，患者满意度高，因此被广泛应用于妇科（如子宫切除术）、普外科（如胆囊切除术、结直肠癌手术）和泌尿外科等领域。然而，腹腔镜手术也存在局限性：术者通过内窥镜图像而非直接观察术野，视野狭窄、缺乏三维距离信息；长直器械经穿刺套管操作仅有前进、后退和旋转等四个自由度，灵活性远不如开腹手术中手的直接操作；同时，由于器械末端与操作手之间距离较大，触觉反馈被削弱。这些劣势使手术难度显著增加，手术结果高度依赖术者个人技术，也使得许多原本在开腹手术中可行的复杂手术难以在腹腔镜下完成。

针对上述问题，美国 intuitive surgical inc. 在2000年获得fda许可后推出的 da vinci si 系统成为外科机器人发展的里程碑。该机器人通过双目内窥镜摄像机和目镜显示器构建立体视野，恢复了类似开腹手术的距离感；其手术器械配备线驱动腕式机构，能够模拟人手的多自由度运动；术者通过控制台上的主手装置可以直观操控机械臂。此外，控制系统还能滤除术者手部震颤，并实现可缩放的运动比例，从而支持更加精确、安全的手术。机器人手术不仅正在替代传统腹腔镜手术，还使一些腹腔镜无法完成的复杂手术成为可能。da vinci sp 的推出进一步将机器人手术向单孔微创方向推进。然而，随着手术例数的积累，关于机器人手术的疗效评价也趋于中性。机器人手术的劣势包括高成本和更长的手术时间。在前列腺切除术等一些术式中机器人手术优势明确，但在胆囊切除术、右半结肠切除术等相对简单的术式中，与传统腹腔镜相比并未显示出临床差异或患者获益。当前，腹腔镜手术机器人市场仍由 intuitive surgical inc. 的 da vinci 系统主导，但随着核心专利的到期，多家企业正在开发和推出自己的腹腔镜手术机器人，这有望降低手术机器人的成本。

论文的主体部分之一是对软组织手术机器人的分类梳理。作者首先将机器人结构分为刚性管和柔性管两类，管子指通过套管插入体内的结构。刚性管指通过刚性直管插入，柔性管指通过软性结构插入。论文按此标准总结了三类机器人。第一类为多孔手术用刚性管手术机器人，代表产品包括 da vinci xi、da vinci x、versius、hugo™ ras、senhance®、revo-i、avatera、hinotori 和 toumai。da vinci xi 将机械臂安装在顶部悬吊结构上，可覆盖更多手术区域；versius 和 hugo™ ras 则采用便携化、模块化设计，每台机器人仅一个机械臂，多个机器人可围绕手术台灵活布置，节省空间并促进术中人员协作。hugo™ ras 的主要特点是具有触觉反馈功能，可让操作者感知软组织的反作用力。senhance® 配备眼动追踪摄像头，可根据术者眼部运动控制内窥镜，改善视野控制。revo-i 是韩国 meere company 开发的机器人，结构类似 da vinci si，可用于切割、电凝、缝合等多种操作，并已应用于前列腺手术。第二类为单孔手术用刚性管手术机器人，以 da vinci sp 为代表。该系统通过单个外套管插入四根线驱动机械臂，其中一个作为摄像头，三个作为手术工具，可进行单孔腹腔镜手术，还可用于经口、经肛门等自然腔道手术。第三类为柔性管手术机器人，用于腔内手术。此类机器人可经支气管、鼻道、尿道等自然腔道进入人体并沿复杂路径到达目标。代表产品有 flex robotic system、ion endoluminal system 和 monarch platform。flex robotic system 用于经口手术，具有较高到达性；ion endoluminal system 利用形状感知技术实现精准定位和活检；monarch platform 则已获fda批准用于泌尿外科，是首个具有多专科能力的柔性手术机器人。

论文进一步分析了推动手术机器人成功的三项关键技术。第一项关键技术是线驱动操作器。这是机器人手术与传统腹腔镜在功能上的根本区别。线驱动关节机构可做到直径小于8毫米，驱动单元在体外像操纵木偶一样控制器械。常见机构包括腕式机构和蛇形连续体机构。由于器械关节极小，难以安装传感器，因此必须通过建模来保证线驱动的精确性，包括防止线松弛和齿隙等现象。柔性手术机器人还采用腱鞘机构来补偿弯曲路径变化下的线长变化，并对腱鞘机构的滞回特性进行建模与补偿。近年来，人工神经网络也被用于提高腱鞘机构滞回模型的精度。第二项关键技术是带遥操作功能的主手装置。主手安装在控制台上，外科医生可像坐在椅子上手持器械一样直观操控机器人。主手还可以产生反作用力或阻尼，向操作者传达机器人臂姿态的可达工作空间和奇异性信息。控制算法能过滤术者生理性手部震颤并实现运动缩放，从而支持更安全精细的手术。主手装置作为术者直接握持和控制的设备，其可操作性和可用性对手术机器人整体性能具有重要影响。第三项关键技术是成像技术。da vinci 系统通过双目内窥镜获取图像，并在控制台的目镜显示器上呈现立体图像，使术者无需空间估算即可沉浸于手术场景中。高品质成像不仅依赖小型化的高分辨率ccd，光学透镜技术才是决定内窥镜画面质量的最终因素。此外，intuitive surgical inc. 开发的 firefly™ 技术可将荧光图像叠加于内窥镜视野中，通过注入吲哚菁绿等荧光物质，帮助识别淋巴结、甲状腺等重要组织。

在最近的研究趋势与挑战部分，论文强调，目前外科医生对手术机器人的主要负面评价是“不舒适”。因此，研究越来越关注人机交互技术，包括图像引导和触觉反馈，以在不干扰现有手术流程的前提下为医生提供实时信息。从技术角度看，手术机器人研究的最终目标是自主手术。类比自动驾驶，自主等级被划分为0至5级。目前软组织手术机器人处于1级，即在控制技术的辅助下进行遥控操作。研究正在尝试将相对简单的手术步骤自动化，以减轻医务人员工作负担。人工智能的进步正深刻影响自主手术技术的发展。

具体而言，作者将前沿技术归纳为三个主要方向。第一是ar/vr视觉辅助。腹腔镜手术容易实时获取高分辨率图像信息。近期研究利用人工智能对图像进行手术器械和器官的识别、分割和位置估计。虚拟现实可用于外科训练。增强现实技术可将术前mri或ct图像中的关键信息实时融合到术中屏幕上，为操作者提供超越荧光图像的信息。第二是带力反馈的触觉装置。由于腹腔镜器械长而细，力的传递不敏感。现有手术机器人尚无法将器械末端的细微反作用力反馈给术者。限制因素包括器械尺寸过小无法安装传感器以及线驱动系统的高滞回特性。目前的研究一方面致力于传感器的小型化，另一方面尝试通过视觉信息和阻抗等间接信息进行力估计与反馈。第三是自主手术。该方向要求结合机构设计、路径规划、控制算法、感知与定位等技术。当前已有研究尝试在内窥镜摄像头的自动操控、自动组织牵开以及小肠吻合的自动缝合等方面取得进展，其中自动缝合研究已在动物模型上与人工手术进行对比。

在结论部分，论文指出软组织手术机器人已成为微创手术领域成功的专业服务机器人。da vinci 系统曾经垄断市场，如今多种产品参与竞争，机器人类型也日益多样化。但手术机器人仍面临高成本和缺乏相对于传统腹腔镜的临床优势等批评。为了克服这些挑战，手术机器人的研发必须持续推进，既要提升自身能力，也要改善用户接口。作者特别强调医学与工程之间的沟通对手术机器人发展至关重要。开发者如果不了解临床需求和医疗收费制度，很难开发出能够成功进入市场的产品；医务人员如果不具备一定的工程视野，也无法提供有意义的反馈。随着医务人员工作负担的加重以及患者对更高照护水平需求的增长，手术机器人未来有望继续演进。

这篇综述的学术价值在于系统梳理了软组织手术机器人的发展现状、核心技术以及未来方向，为相关研究者和临床医生提供了一幅清晰的技术全景图。其次，文章通过对刚性管、柔性管、多孔、单孔等不同类别的分类，建立了理解和比较不同手术机器人的框架。再者，论文对关键技术的分析并未止步于机械性能提升，而是将视线引向人机交互、力反馈、图像辅助和自主手术等前沿方向，指出了未来研究的重点与挑战。最后，论文针对手术机器人高成本、临床获益争议等问题提出了客观评价，并指出多机器人竞争有望降低成本，具有重要的产业和政策参考价值。