生物医学工程里的医疗机器人进展

摘要：本文阐述了生物医学工程领域中医疗机器人的发展进展。详细介绍了手术机器人、康复机器人、辅助诊断机器人等主要医疗机器人类型，对其技术原理、功能特点进行了剖析。通过多维度分析它们在临床应用中的实际表现，探讨了当前取得的技术突破与面临的诸多挑战。研究表明，医疗机器人在提升医疗精度、改善患者预后等方面展现出巨大潜力，然而在成本控制、人机协作优化以及伦理法律规范等方面仍需持续深入发展。

关键词：生物医学工程；医疗机器人；手术机器人；康复机器人

日新月异的科学技术推动了生物医学工程的发展进程，涌现出越来越多的前沿技术，医疗机器人作为其中的一个重要分支，一经诞生就备受瞩目。医疗机器人是多学科深度融合的结晶，融合了精密的机械工程技术、先进的电子技术、强大的计算机科学以及专业的生物医学知识[1]。其诞生的初衷是辅助甚至在特定情况下替代医生，完成一系列复杂且高难度的医疗任务。从疾病的精准诊断，到个性化的治疗方案实施，再到患者术后的康复护理，医疗机器人的应用贯穿了整个医疗流程，为现代医学带来了颠覆性的变革。它不仅为提高医疗服务的质量与效率带来了新的契机，还能显著改善患者的就医体验，从长远来看，具备降低整体医疗成本的潜力[2]。因此，对医疗机器人进展进行深入研究，无论是对于推动医学科学进步，还是提升全社会医疗福祉，都有着重要的现实意义。

1手术机器人

1.1类型与特点

手术机器人配备了高度灵活的机械臂，其设计灵感来源于人体手臂的运动模式，但在灵活性与精准度上实现了质的飞跃。借助先进的传感器和精密的机械传动装置，机械臂能够实现毫米级甚至亚毫米级的精准操作[3]。在手术过程中，可轻松进入人体狭小且复杂的空间，完成诸如血管缝合、组织剥离等传统手术方式难以完成的精细动作，极大程度地减少了对周围健康组织的不必要损伤。例如，在一些神经外科手术中，传统手术方式可能因操作空间有限而难以精准切除病变组织，手术机器人则能够凭借其灵活的机械臂，在不损伤周围神经的前提下，精确地完成手术操作。

1.2临床应用

手术机器人在泌尿外科、妇科、心胸外科等多个临床领域得到了广泛应用。在泌尿外科的前列腺癌根治术中，手术机器人的优势尽显。它能够利用高清的三维成像系统，清晰地分辨出肿瘤组织与周围的神经、血管等结构。手术过程中，机械臂精准地切除肿瘤组织，同时对神经和血管进行细致的保护，显著降低了术后尿失禁、性功能障碍等并发症的发生率，有效提高了患者的生活质量。在妇科领域，对于子宫肌瘤切除术等手术，手术机器人可通过极小的创口进行操作，减少了对子宫的创伤，有利于患者术后的快速恢复。在心胸外科，心脏搭桥手术中，手术机器人能够更稳定、精准地进行血管吻合，提高手术的成功率。刘莹[4]等在治疗腕舟骨骨折患者时应用骨科机器人辅助手术，缩短了手术时间，降低术中出血量，并且术中透视次数更少，且术后腕关节功能更优。张文彬[5]等在融合远心运动机构与串联机械臂的穿刺手术机器人系统研究中指出，混联式穿刺手术机器人系统在穿刺手术辅助方面的性能更好，可促进临床效果的提升。

2康复机器人

2.1功能与分类

康复机器人依据其针对的人体部位和康复需求，可分为上肢康复机器人、下肢康复机器人和神经康复机器人等。上肢康复机器人主要针对上肢因创伤、疾病等导致功能障碍的患者，通过模拟日常生活动作，如抓握、伸展等，为患者提供有针对性的康复训练，帮助患者恢复上肢的肌肉力量、关节活动度以及手眼协调能力。下肢康复机器人则致力于帮助下肢功能受损的患者，如脑卒中后偏瘫患者、脊髓损伤患者等，通过模拟行走、站立等动作，辅助患者进行康复训练，重建下肢的运动功能。

2.2应用效果

在脑卒中、脊髓损伤等康复治疗中，康复机器人展现出了显著的成效。以脑卒中康复治疗为例，大量临床研究表明，长期使用康复机器人辅助训练的患者，其肢体运动功能的恢复速度明显快于仅接受传统康复治疗的患者。康复机器人能够根据患者的具体情况，制定个性化的训练方案，并实时调整训练强度和难度。例如，在训练过程中，机器人可以通过传感器感知患者肌肉的收缩情况和关节的运动角度，及时调整训练参数，确保训练的安全性和有效性。经过一段时间的康复机器人辅助训练，许多患者能够重新恢复自主行走能力，提高生活自理能力，更快地回归正常生活。郁董卿[6]等在面向推拿康复机器人的人机交互界面数字建模与动力学研究中指出，相比于专业医师推拿手法的相关数据，康复机器人的推拿力度、频率等动力学特征基本相同，说明可以被应用在实际治疗当中。李远栋[7]等认为，在颈椎手法教学中应用旋提手法智能教学机器人系统，可提高初学医师旋提手法操作的合格率，尤其能够有效地掌控预牵引力、提扳力及最大作用力，为后续的实际应用奠定基础。

3辅助诊断机器人

3.1技术原理

辅助诊断机器人核心技术在于人工智能算法与医学影像处理技术的深度融合。其工作流程为，首先收集患者的各类医学影像数据，如X光、CT、MRI等，然后利用经过大量医学影像数据训练的深度学习算法，对这些影像进行全面、细致的分析。算法能够自动识别影像中的病变特征，例如在肺部CT影像中，精准地检测出结节的位置、大小、形态等信息，并通过与海量病例数据库的对比分析，判断结节的良恶性概率。

3.2临床价值

辅助诊断机器人在临床诊断中发挥着至关重要的作用，极大地提高了诊断效率。在传统的医学影像诊断中，医生需要花费大量时间仔细观察影像，寻找病变迹象，这一过程不仅耗时费力，还容易受到医生主观因素的影响，导致误诊和漏诊。辅助诊断机器人的出现改变了这一现状，它能够在短时间内对大量医学影像进行快速分析，为医生提供准确的诊断建议。例如，在大规模的肺部结节筛查项目中，辅助诊断机器人能够在数分钟内完成对一位患者的肺部CT影像分析，快速检测出微小病灶，并给出初步诊断建议，为后续的进一步检查和治疗争取了宝贵的时间。庄浩岩[8]等在机器人辅助经自然腔道取标本手术在结直肠病变中应用的相关研究中指出，机器人辅助下经自然腔道取标本手术创伤小，避免了术后切口疝的发生，提高了患者腹部美观度，缓解因手术瘢痕带来的术后焦虑抑郁情绪，加速患者康复。

4讨论

4.1技术优势

（1）精准度提升

医疗机器人凭借先进的传感技术和精确的机械控制，将医疗操作的精准度提升到了前所未有的高度。以手术机器人为例，其搭载的高分辨率传感器能够实时感知机械臂的位置和运动状态，通过反馈控制系统，对机械臂的运动进行精确调整[9]。在微观层面，手术机器人能够完成传统手术方式难以实现的精细操作，如在眼科手术中，对视网膜等微小组织的修复。这种高精度的操作不仅极大地提高了手术的成功率，还能显著减少手术创伤，使患者术后恢复时间大幅缩短，并发症风险显著降低。

（2）改善医疗资源分配不均

康复机器人和辅助诊断机器人在缓解医疗资源紧张、改善医疗资源分配不均方面具有独特的优势。在偏远地区或基层医疗机构，医疗资源相对匮乏，专业医疗人才短缺。康复机器人能够为当地患者提供标准化、个性化的康复训练服务，弥补专业康复治疗师不足的问题。辅助诊断机器人则可以快速、准确地对患者的医学影像进行分析，为基层医生提供诊断参考，提高基层医疗机构的诊断水平。通过远程医疗技术，专家可以利用医疗机器人对不同地区的患者进行实时诊断和治疗指导，打破地域限制，使优质医疗资源能够惠及更多患者，有效改善医疗资源分配不均的现状。

4.2面临挑战

（1）高昂成本

医疗机器人从研发、生产到维护，每一个环节都需要投入巨额资金。手术机器人系统由于其复杂的技术架构和高精度的制造工艺，价格极为昂贵，一套完整的手术机器人系统动辄数百万甚至上千万元，这对于许多中小型医疗机构而言，是一笔难以承受的开支[10]。此外，手术机器人在使用过程中，需要消耗特殊的手术耗材，这些耗材的成本也相对较高，进一步增加了患者的就医费用。高昂的成本使得医疗机器人难以在更广泛的范围内普及，限制了其在医疗领域的推广应用。

（2）人机协作优化

尽管医疗机器人技术近年来取得了长足进步，但在人机协作方面仍存在诸多亟待解决的问题。在手术过程中，医生与手术机器人之间的交互需要更加自然、流畅，以确保手术的高效进行。目前，部分手术机器人的操作界面设计复杂，医生需要经过长时间的专业培训才能熟练掌握操作技巧，这在一定程度上影响了手术机器人的应用效果。在康复训练中，机器人如何更精准地感知患者的运动意图，并根据患者的实时反馈做出及时、合理的调整，也是当前面临的一大挑战。例如，在患者进行康复训练时，机器人需要能够准确判断患者是由于疲劳还是康复进展而出现运动变化，从而相应地调整训练方案。

4.3未来发展方向

（1）降低成本

未来，需要通过技术创新来降低医疗机器人的制造成本。一方面，研发新型材料和制造工艺，简化机器人的结构设计，在保证性能的前提下降低生产成本。另一方面，通过规模化生产，提高生产效率，降低单位产品成本。同时，对耗材进行优化设计，寻找更经济、实用的材料和技术，降低耗材成本。此外，政府、医疗机构和相关企业应共同探索合理的医疗收费模式，如按服务项目收费、医保报销等方式，减轻患者负担，促进医疗机器人的普及。

（2）提升人机协作性能：研发更加智能化、人性化的人机交互系统是提升人机协作性能的关键。利用先进的传感器技术，如脑机接口技术、肌电传感器技术等，使机器人能够更直接、准确地感知医生和患者的意图。通过人工智能算法，对采集到的信息进行分析和处理，让机器人能够快速、准确地理解并执行人类的指令。例如，在手术中，医生只需通过简单的手势或语音指令，手术机器人就能迅速做出相应的动作。在康复训练中，机器人能够根据患者的生理和心理状态，实时调整训练方案，实现更加自然、高效的人机协同工作。

总之，医疗机器人作为生物医学工程领域的创新成果，已在手术、康复、诊断等多方面展现出显著优势，为医疗行业带来变革性影响，其精准度提升、改善医疗资源分配不均等特性，为提高医疗服务质量与可及性提供了有力支撑，尽管医疗机器人还在发展阶段，存在一定的不足之处，但只要客服所面临的困难和挑战，便能突破现有瓶颈，实现更健康、广泛的发展。

参考文献

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[4]刘莹,沈杰,刘波,等.骨科机器人辅助手术治疗腕舟骨骨折的临床疗效观察[J].北京生物医学工程,2023,42(3):283-286.

[5]张文彬,沙连森,史文青,等.融合远心运动机构与串联机械臂的穿刺手术机器人系统研究[J].西安交通大学学报,2023,57(7):1-8.

[6]郁董卿,盛齐.面向推拿康复机器人的人机交互界面数字建模与动力学研究[J].北京生物医学工程,2024,43(1):71-77.

[7]李远栋,卜寒梅,杨光,等.旋提手法智能教学机器人系统在颈椎手法教学中的应用[J].国际生物医学工程杂志,2023(4):336-341.

[8]庄浩岩,郭昭,史学文,等.机器人辅助经自然腔道取标本手术在结直肠病变中应用进展[J].生物医学工程与临床,2024,28(2):287-292.

[9]孙晨飞,唐心意,石萍,等.国内外按摩机器人研究进展及关键技术分析[J].生物医学工程研究,2024,43(2):166-174.

[10]肖鸿鹄,赵春鹏,卑明健,等.智能化骨折复位机器人系统辅助股骨干骨折闭合复位的尸体标本研究[J].首都医科大学学报,2024,45(5):753-762.