『您的瀏覽器不支援JavaScript功能,若網頁功能無法正常使用時,請開啟瀏覽器JavaScript狀態』

跳到主要內容區塊

工業技術研究院

:::

工業技術與資訊月刊

出版日期:

正方形 Icon 專欄 Column

蘇英傑:外科機器人的過去未來

口述/奇美醫學中心胸腔外科醫師蘇英傑 整理/楊迺仁 攝影/蔡世豪

立體定位、精準位置標 定及精準路徑控制等不同類型,未來最需要突破的困難,還是成本問題,也是有意投入醫療機器人產業的業者,需要思考的重點。

今天我們要談的主要是外科機器人的發展,所謂醫療機器人(medical Robtos),用途其實不限於外科(surgical)。根據維基百科的定義,還有其他3種用途,分別是失能(disability robots)、 復健(rehabilitation)及療癒(therapeutic),早已廣泛用於醫療或照護領域。

例如可以幫助病患行動的電動輪椅,以及敲鍵盤等協助病人生活的輔具等,其實都算是失能機器人的一種。另一種失能機器人,則是「外骨骼」,如日本Cyberdyne 公司研發的「混合輔助肢體」(HAL),是較為成功的案例。

復健機器人最有名的是 HOCOMA,跟外骨骼很像,但對於感測技術要求比較低,競爭門檻也因此比較低,用途包括手部及腳部復健;療癒機器人的用途,在於陪 伴病人或與病人互動。

什麼是外科機器人

至於外科機器人的定義,一般而言,根據英國皇家工程學院院士,也是醫療機器人開創學者,同時也是Acrobot 公司的創辦者 Brian Davies 教授的定義,外科機器人是一個具有人工感應器且使用電腦控制可程式化的動力裝置,可以用來移動與置放工具,以執行手術任務。

但其實對於外科機器人,工程師與醫師各有不同的觀點,工程師重視科技性,醫師重視功能性,因此外科機器人的分類,各界看法不一。可以簡單的分為主動及互動兩種,也可分為人力替代、遠距醫療、立體定位、精準位置標定及精準路徑控制等不同類型。

另外則可依據臨床操作的侵犯性來分類,分為被動(passive)、限制(restricted)及主動(active)3 種。3 者的差別,在於機器人的自主性愈高,愈不需要人工;至於對人力操作依賴程度較高的外科機器人,侵犯性通常也愈高,對人體影響也愈大。比如說電腦斷層掃描(CT scan)的自主性最高,但侵犯性也最低;如達文西 3D 立體微創手術系統(da Vinci Si Surgical System),就屬於人力操作型。

一般而言,機器人主要是由電腦、感知器及操作器械 3 部分所構成。電腦部分的用途,除了直接以主從關係操作的系統(teleoperation)外,在外科醫師監控下,有人工智能能自行執行任務的系統(telerobotics),也屬於電腦的一種。其他的電腦類型,還有一種類似teleoperation 的 telepresence,但這種更為先進,有額外的感應器,讓主從之間雖然相隔兩地,但有一體的感覺。最後一種是 teleproctor,這種系統可以讓兩個醫師即使相隔兩地,仍能體驗同一個事件,主要用來作為教學系統。

感知器是機器人非常重要的元件。因為醫師在執行醫療任務之前,必須要執行影像檢查,才能讓機器人運作,也因此成為醫療用機器人的重要應用。如具有整合電腦斷層或核磁共振(MRI)的影像資訊能力,並以此作為目標導引的系統(preoperative image registration)就非常重要,因為在動手術前,一定要先有參考點來校正影像。

在操作器械方面的差別,以自由度為例,可以分為X、Y、Z等 7 個自由度,一般醫療用機器人可達 4 . 6 個,達文西則是高達 7 個;如果從最後效果來看,包括外科儀器(如內視、手術刀)、能源儀器(如雷射、超音波刀)及直線加速器(linear accelerators)。

其他需要考量的項目,還包括 footprint(操作機械人所需之空間)、workspace(器械可到達的最大限度)、resolution(器械可移動或側量的最小單位)、force dynamic range( 可 控 制 的 最 大 與最 小 力 量 之 比率)及慣性、速度等,都會影響外科手術的進行。以resolution 為例,人類最小的移動單位是 200um,機器人卻可以做到 20 到 30um。

此外,backdrivability(讓醫師可以迅速手動移開機器人)、position control and force control(循著特定路徑的移動能力及接觸表面產生適當下壓力之能力)、bandwidth of motion and in force(連續監測機器人活動之頻率)等項目,也都是操作器械的重點項目。

外科機器人的演進

因此,醫療機器人在臨床使用並不少見,如電腦斷層就是最常見的醫療機器人。電腦刀(CyerKnife)的好處,在於不用特別設計固定病人,一樣可以打得很準,如在做放射線治療時,可以避免其他組織受損,縮短療程。
立體影像定位機器人,是侵犯性手術機器人初期發展較快的類型,主要用於不會變形的骨骼系統定位,如腦殼、脊柱、長骨等。沒有機器人之前,要做此類手術,就得依賴醫師的手感或搭配 X 光等儀器,但目前還無法沿用於軟組織,較為知名的機器人包括 Mazor SpineAssist、Acrobot robot 及 ROBODOC 等。

除了立體影像定位外,內視鏡也是外科機器人的重要應用。以前進行手術時,只能由醫生手拿內視鏡,但有些手術如切肺,可能需要 3 . 4 小時,醫師手臂的負擔相當大,鏡頭晃動的程度也比較大。雖然就醫療結果而言,有無使用機器人其實沒有差別,但對手術過程的影響就相當大。

1993 問世的 AESOP 是第一個應用內視鏡的外科機器人,但因為占用空間太多,因此業者採用 AESOP 的概念,整合 3 支手臂,在 1998 年推出 ZEUS,也是全球第一個可以做心血管繞道手術的機器人,2001 年更透過遠端監控,完成跨大西洋手術。Intuitive 後來將 ZEUS 技術整合進來,加入其他技術如 SRI、IBM、MIT 等,發展出達文西 3D 立體微創手術系統,目前全球已超過 3,000 台,臺灣也有 18 台,使用量更是逐年攀升,2012 年的達文西手術量就達1,600 次,較 2011 年的 736 次,成長達 1 倍以上。

達文西機器人優劣分析

達文西手術系統的架構分為手術控制台(surgeon Console)、手術台車(surgical Cart)及影像台車(vision Cart),透過自動控制技術,讓醫生可以透過手術控制台,操作手術台車的機械手臂,精準地執行手術任務。

手術控制台是由 3D HD 影像、左右手控制單元、腳踏板、觸控式面板及機械手臂控制器組成;影像台車是由觸碰式操控螢幕、HD 高解析鏡頭控制器及照明設備組成;手術台車則是由攝影手臂、器械手臂及電動前進後退控制器所組成,可以使用的器械超過 40 種,5mm及 8mm器械都可使用,包括單極電燒、雙極電燒、超音波刀等,其採用的 Remote Center 技術,可以將手術中因器械動作而對身體的傷害降到最低。

達文西手術系統的好處,在影像方面,除了可以提供栩栩如真的立體影像外,物體可以放大 10 倍,影像細節鉅細靡遺,影像穩定度更遠較手持來得高出許多。在器械方面,達文西手術系統可以使用多關節器械,就好像把手伸進體腔內手術一樣靈活,而且還可消除手部震顫,縮小手部動作,達到更精細的程度。執刀醫師在必要時,還可以自行操作第 3 支手臂,減少助手需求。

對手術經驗已經相當豐富的醫師而言,達文西手術系統所能達到的效果,其實與過去用人工執刀差別不大,但對新手而言,如影像判讀的幫助就會相當大,手術過程的舒適性,也比較明顯。與開胸(thoracotomy)及胸腔鏡(VATS)手術相比,達文西手術系統的傷口大小、失血量、疼痛程度、術後合併症機會及恢復時間,都與胸腔鏡類似,比起開胸而言,要好上許多,控制出血能力雖然不如開胸,但比胸腔鏡好,且因為使用多關節器械,靈活度、穩定度及活動力都超越前兩者。

達文西手術系統的缺點,主要是費用高昂,由於目前國內要使用達文西手術系統仍屬於自費項目,費用約在 20 萬元左右,主要用於心臟科及婦產科。對醫師而言,達文西手術系統的使用成本也相當高,不但建置費用要新臺幣 1 億元而且只能攤提 7 年,模擬機也要500 到 600 萬元。

更大的一筆開支是器械費用,達文西手術系統的器械重複使用次數只有 10 次,因為在身體內部的器械,不能使用電子元件,只能靠軸承及鋼索運作,所以用久了,會影響精準度,而且系統會透過晶片自動計數,無法多用,使用量一旦增加,醫院勢必要增加採購器械耗材的費用。

此外,達文西手術系統的前置作業,需要比較多的時間,使用空間也比較大,需要緊急應變時,也因為手術醫師不在手術台上而會多花時間,但最後會造成問題的事故並不多,問題也不大,而且與內視鏡相比並沒有太大的差別。然而就事實來說,使用達文西手術系統,對剛入門的醫生會很有利。臨床經驗如果用內視鏡,可能需要 30 檯以上,才會比較熟練,但使用達文西手術系統,只要 10 檯,就可以上手。

醫療機器人的未來

外科機0器人的未來發展,有可能發展術前模擬,但難度很高,除了事先要放進的病人資訊,必須相當精準外,要用電腦模擬軟體重現完整畫面,也不是一件容易的事。

此外,達文西手術系統目前是用 3D 畫面來取代力回饋,由於內視鏡的力回饋效果很有限,力回饋技術是外科機器人未來可以努力的目標。

但費用高昂很難突破,因為目前使用外科機器人的國家,多半已經習慣昂貴的醫療費用,甚至可能是臺灣的 10 倍左右。而且臺灣如果想要發展類似達文西手術系統的外科機器人,要如何突破專利限制,也是個難題。

目前臺灣相關產業可以從供應關鍵零組件著手,如改善手術台車的控制器或器械手臂,或是與達文西手術系統合作如微型化,除非能改變不同的思維,否則要跟達文西手術系統競爭並不容易。

由於現代對於科技限制與不信任感,以往的醫療機器人多半使用於非接觸式、被動式的領域,但隨著科技進展,醫療機器人必將進入更侵入性的領域,並帶來更精細的操作、更小的傷口及更細緻的影像,未來需要突破的領域,包括更先進的關節控制技術、體內馬達驅動技術及電系設備無菌技術等,但最需要突破的困難,還是成本問題,也是有意投入醫療機器人產業的業者,需要思考的重點。

下載全文PDF Icon下載全文PDF


[{"text":"企業網","weight":13.0},{"text":"材化所","weight":11.5},{"text":"機械所","weight":10.0},{"text":"綠能所","weight":9.4},{"text":"生醫所","weight":8.0},{"text":"半導體","weight":6.2},{"text":"南分院","weight":5.0},{"text":"太陽能","weight":5.0},{"text":"課程","weight":5.0},{"text":"遠紅外線","weight":5.0},{"text":"雷射","weight":4.0},{"text":"LED","weight":4.0},{"text":"LED可見光","weight":3.0},{"text":"5G","weight":3.0},{"text":"工研人","weight":3.0},{"text":"電光所","weight":3.0},{"text":"綠能與環境研究所","weight":3.0},{"text":"機械","weight":3.0},{"text":"資通所","weight":2.0},{"text":"面板","weight":2.0},{"text":"文字轉語音","weight":2.0},{"text":"實習","weight":2.0},{"text":"無人機","weight":2.0},{"text":"生醫","weight":2.0},{"text":"3D","weight":2.0},{"text":"v2x","weight":2.0},{"text":"員工","weight":2.0},{"text":"地圖","weight":2.0},{"text":"太陽光電","weight":2.0},{"text":"材料與化工研究所","weight":1.0}]