眼科顯微手術機器人的研究進展與臨床應用

姜姍 吳浩冉 王嬌嬌

收稿日期：2023-11-06 錄用日期：2023-12-05

Received Date： 2023-11-06 Accepted Date： 2023-12-05

基金項目：河南省醫學科技攻關計劃聯合共建項目（LHGJ20190817）

Foundation Item： Henan Provincial Medical Science and Technology Research Program Joint Construction Project （LHGJ20190817）

通訊作者：吳浩冉，Email：1186157130@qq.com

Corresponding Author： WU Haoran， Email： 1186157130@qq.com

引用格式：姜姍，吳浩冉，王嬌嬌.眼科顯微手術機器人的研究進展與臨床應用[J]. 機器人外科學雜志（中英文），2024，5（1）：80-84.

Citation： JIANG S， WU H R， WANG J J. Research progress and clinical application of ophthalmic microsurgical robot[J]. Chinese Journal of Robotic Surgery， 2024， 5（1）： 80-84.

摘 要 手術機器人高靈活性、高精度與高重復性等優點已成為醫學界共識，其與微創手術相結合被廣泛應用于各科領域。眼科手術作為操作難度較大的手術之一，術中尤其需要較高的操作精細度，避免生理性震顫的影響。手術機器人的發展與應用解放了術者的眼與手，可有效提高操作精準性與手術成功率，為眼科顯微手術提供新思路。國內外學者對眼科顯微手術機器人的研究與應用不斷進行探索，雖然取得了突出成就，但仍面臨著重大挑戰。本文從眼科顯微手術機器人的研究進展與臨床應用兩大方面進行綜述，以期為后續工作的開展提供參考。

關鍵詞 顯微手術；眼科；手術機器人；研究進展

中圖分類號 R779.6 R608 文獻標識碼 A 文章編號 2096-7721（2024）01-0080-05

Research progress and clinical application of ophthalmic microsurgical robot

JIANG Shan， WU Haoran， WANG Jiaojiao

（Health Management Center， Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University， Hohhot 010000， China）

Abstract With the advantages of high flexibility， high precision and high repeatability， surgical robots have been widely approved by the medical community， and their combination with minimally invasive surgery has been widely used in various fields. As one of the most difficult operations， high precision is especially required in ophthalmic surgery and physiological tremor should be maximally avoided. The development and application of surgical robots have given surgeons high-definition eyes and precision hands， which can effectively improve the accuracy and success rate of surgery. Ophthalmic microsurgery is also benefited from this progress. Domestic and foreign scholars have continuously explored the research and application of ophthalmic microsurgical robot. Although outstanding achievements have been made， great challenges still facing today. The research progress and clinical application of ophthalmic microsurgical robots were reviewed in this paper， hoping to provide references for the development of related works.

Key words Microsurgery; Ophthalmology; Surgical Robot; Research Progress

隨著臨床醫生操作技術與顯微科技水平不斷提高，顯微手術被廣泛應用于臨床，其在眼科的應用也較為廣泛，為視網膜手術、角膜移植術等眼部手術治療提供了極大便利[1-2]。但現階段眼科顯微手術受術中視野、操作精細度及人手生理性震顫等因素影響，成功率仍有較大提升空間[3]。近年來，醫學技術、高精密機械技術及電子信息技術迅速發展，手術機器人應運而生，憑借精準度高、靈活性好、操作穩定等優點，在一定程度上解決了眼科顯微手術的弊端，成為提高手術安全性與成功率的重要途徑[4]。眼科顯微手術機器人集顯微外科學、傳感器技術、生物力學及機構學為一體，研究焦點從樣機研發逐步發展至臨床應用[5]。本文就國內外眼科顯微手術機器人的研究進展與臨床應用進行

綜述。

1 眼科顯微手術機器人的研究進展

1.1 不同設計結構的眼科手術機器人 1989年，

Vidal P與Guerrouad A描述的Stereotaxical遙操作機械臂是最早的眼科機器人系統之一，它由安裝在3維平臺上的球形機械臂組成，可實現3個自由度，而腕部結構可實現4個自由度，且完成了性能測試試驗。Charles S等人也研發出一種緊湊型的6自由度主從系統顯微手術機器人，該機器人系統的運動精度可達10 ?m，且能達到足夠大的運動幅度[6]。2001年，美國研制出達芬奇手術機器人，并獲得美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）認證。達芬奇手術機器人由醫生主控臺、機械臂及成像系統3部分組成，不僅能為術者提供三維立體術野，而且能讓術者通過主控臺直接控制操作手柄與腳踏，保證了手與器械運動一致性，有效提高了手術精準度，因此被廣泛應用于各科領域[7-8]。達芬奇手術機器人目前也被應用于眼表手術，其誤差可控制在毫米之間，但由于眼內結構的復雜性，仍需研究更適合眼科疾病的專屬機器人。學者們一直致力于眼科機器人的探索，2009年，東京大學Ueta T等人[9]

研究出一種顯微機械臂原理樣機，并通過實驗證明該機器人可用于眼后節手術，且效果良好。2020年，HE C Y等人[10]提出了一種由機器人輔助的自動光管驅動系統，并展開靜態光跟蹤與動態光跟蹤實驗，結果表明該系統能夠用可忽略的偏移量（平均偏移量2.45 mm，標準差1.33 mm）

成功照亮所需區域，以此可提高手術效率、改善手術結果。2021年，Yang U J等人[11]提出一種具有機械運動可伸縮性、可用于眼內重建手術的新型顯微外科機器人機構，其原理是利用雙三角形結構對運動進行機械測量，以實現精確與大運動間的無縫調整。2022年，Chen R等人[12]

設計了一個多極性電磁機器人平臺，為特定眼內區域的定向治療提供了一種微創手段，模擬結果表明該平臺在眼科手術中具有很大的應用潛力。

1.2 不同控制方式的眼科手術機器人 眼科手術機器人經歷了不同設計結構的革新與發展，其控制方式也得到了不斷優化，以主從式機器人最為常見。Pandey S K等人[13]描述了第1代真正意義上的主從操作外科手術機器人系統ZEUS，該系統由操作控制臺與機械臂組成，通過主操控控制臺發出指令控制機械臂進行手術操作，最大限度避免了術者生理性震顫，提高了手術的穩定性。2001年，美國Intuitive Surgical公司研制出的達芬奇手術機器人是主從式機器人的典范，術者于主控臺通過影像設備傳來的三維立體術野直接操控腳踏與手柄，計算機系統將醫生的操作過濾顫抖后傳遞給機械臂進行手術操作，確保了手與器械運動的一致性。2010年，

天津醫科大學總醫院聯合天津大學、南開大學兩所高校研制出“妙手A”機器人，包括主控制臺、成像系統、機械臂3部分，具有體積小、自由度高的特點，可實現主、從操作虛擬力反饋，從而提高操作精準度?！懊钍諥”是我國第1個具有自主知識產權的主從式手術機器人，在醫學領域具有里程碑式的意義[14]。2022年，王朝董等人[15]提出一種主從控制式視網膜下注射機器人，輔助醫生完成視網膜下注射干細胞。該機器人由搖桿主手、從手機械臂、機器人控制柜、工控機及末端自旋控制器組成，通過建立主手與從手機器人之間的運動映射關系，解決了鞏膜約束運動、穩定器械、準確定位注射位置、微流量注射等難題，并通過離體豬眼球視網膜下注射試驗驗證了該機器人系統末端注射針運動的穩定性與精準性。

1.3 不同應用范圍的眼科手術機器人 眼球結構的復雜性對眼科手術提出了更加精密化的要求，有關眼科手術機器人的研究也更為細化，國內外學者針對眼科不同的應用范圍研發出了不同的眼科手術機器人。Tejima N等人于1988年研制出一種多關節機器人，以吸附裝置控制角膜切割效果，Lang G K等人于1989年研發出了一套準分子激光角膜切割系統，可以改變角膜切割形狀，同年Guerrouuad等人研制出一種用于角膜鉆切術、眼科玻璃體切割術、整容術的眼科機器人SMOS[16]。20世紀末，有越來越多的學者對角膜自動化切割系統進行多方位研究，均取得了一定突破，但仍存在一些弊端（如機器人末端執行器設計不完善），限制了角膜移植顯微手術機器人的臨床應用等[17-18]。2017年，溫州醫學院眼科醫院聯合北京航空航天大學共同研制出一套輔助玻璃體視網膜顯微手術機器人系統，由負控計算機、主刀控制面板、系統控制柜、機器人本體（2條機械臂）4部分組成，具有良好的穩定性與精準度，已成功應用于離體豬眼玻璃體切割手術[19]。

2 眼科顯微手術機器人的應用

目前，眼科顯微手術機器人的報道主要包括眼眶外科手術、角膜移植術、白內障手術及視網膜手術，雖然多數仍處于仿真模擬或動物實驗階段，但也有部分已經開始進入臨床應用。

2.1 眼眶外科手術 眼眶結構復雜且狹小，毗鄰面部及顱底組織結構，因此外科手術操作復雜、難度大、風險高，對手術穩定性、精準度等有較高要求。機器人手術系統不僅能為醫生提供放大、高清的視野，而且具備精準而靈活的控制能力，用于顯微手術可大大提高手術效果與安全性。WANG Y等人[20]在一項研究中表明，通過達芬奇Xi機器人輔助顯微手術對10例靜止期甲狀腺相關眼病患者實施眼眶脂肪減壓術，患者均未發生醫源性創傷，術后3個月眼球突出度從（20.2±1.8）mm下降至（17.9±1.4）mm，

生活質量也得到明顯改善。Jeannon J P等人[21]報道了1例達芬奇Xi手術機器人輔助治療眼惡性腫瘤，在保留眼球、眼外肌及視力的情況下成功切除了腫瘤、眼眶內壁、淚囊、淚骨與鼻淚管，且術后1年未見復發。

2.2 角膜移植術 角膜盲是眼科常見疾病，位列我國致盲性眼病第2位，角膜移植術是目前幫助患者復明最可靠的治療方案[22]。由于手術對角膜植片形狀、縫線操作要求極高，因此術者的操作直接關系著手術成功率。機器人輔助角膜移植術可提高操作穩定性與精確性，保障手術成功。Savastano A等人[23]通過人工和機器人手術系統在豬眼模型上進行角膜移植試驗，觀察縫合時間、縫合位置和斷層參數，進一步證實機器人輔助手術的可行性。另一位法國學者Bourcier T等人[24]

自制了12例翼狀胬肉模型，利用達芬奇手術機器人精準完成分離、切割、結膜移植與縫合等操作，再度證實眼科顯微手術機器人的安全性與可靠性。同年，該研究團隊成功完成了第

1例達芬奇機器人輔助切除人翼狀胬肉手術，使眼科顯微手術機器人向臨床應用推進了一

大步[25]。

2.3 白內障手術 白內障是發病率較高的眼科疾病之一，每年約2000萬人進行手術治療，其中白內障超聲乳化手術作為微創顯微手術的代表取得了良好效果。但是受術者傳感能力不足與生理限制，手術操作中無法避免生理性震顫，同時人眼對深度的感知分辨力有限，影響術者對后囊膜深度的判斷，因此難以避免后囊膜破裂、角膜切口滲漏、晶狀體摘除不完全等并發癥的發生。機器人手術系統可通過數字顯微鏡等多種輔助成像技術獲取更高深度分辨率，且能通過編程控制機械臂完成無震顫的精準運動，有效提高手術效果，降低并發癥發生風險。Bourcier T等人[26]

采用達芬奇機器人手術系統聯合超聲乳化技術對離體豬眼進行實驗，證實眼科顯微手術機器人安全可靠。Wilson J T等人[27]以眼內IRISS系統對離體豬眼進行實驗，結果顯示在該系統輔助下完成了多個關鍵步驟，且手術工具末端定位精準控制在0.2 mm以內，保障了白內障摘除手術順利開展。

2.4 玻璃體視網膜手術 眼后節疾病是復雜眼科疾病之一，玻璃體視網膜手術是其重要治療方案，但由于該類疾病病情復雜，對手術技能要求較高，而術者由于視覺感知極限與無法避免的生理性震顫限制了手術成功率，一旦操作不當極易引起嚴重并發癥。機器人輔助玻璃體視網膜手術可解決人手震顫與視覺受限問題，使視網膜操作力得到精準控制。牛津大學外科醫生使用遠程操控機器人系統為一位70歲的患者成功實施了1例人體視網膜前膜剝除術，該機器人由7個獨立的電控發動機提供支持，裝置像一個機械手，外部看似很大，但在眼內的移動幅度卻很小，操作精度可達千分之一毫米，這一手術的成功實施在臨床試驗上具有劃時代的意義，也為機器人手術系統在眼科的臨床應用奠定了堅實基礎。2022年，Faridpooya K等人[28]使用PPS機器人手術系統對15名患有特發性視網膜前膜的患者行剝離術，結果顯示機器人輔助平均手術時間為56 min，鑷子移動平均距離為403 mm，盡管與傳統手術相比耗時更長，但所有手術步驟均是可行的，且沒有臨床不良事件或并發癥發生。2018年，全球首例視網膜靜脈血管插管術的臨床手術在一套主從式機器人輔助配合下順利完成，推動了眼科顯微手術機器人臨床應用進展[29]。2021年，Willekens K等人[30]

對4位視網膜中央靜脈阻塞患者行機器人輔助視網膜靜脈插管術的Ⅰ期試驗，在機器人輔助下將定制的微針插入視網膜分支靜脈并注入奧克纖溶酶，結果顯示，所有患者均成功完成機器人輔助視網膜靜脈插管并輸注奧克纖溶酶，術中雖有一支微針的針尖在眼中斷裂，但可以通過內窺鏡取出，且無相關并發癥發生，證實機器人輔助視網膜靜脈插管是安全可行的。

3 結論

近年來機器人手術系統發展迅猛，相關研究也越來越豐富，其臨床應用效果已被多個科室證實，但在眼科的應用較為有限?？傮w而言，目前臨床應用最多的是達芬奇機器人手術系統，國內應用于眼科顯微手術的機器人手術系統主要包括角膜移植機器人、玻璃體視網膜手術機器人以及視網膜血管搭橋機器人等。因此，不管是在國外還是國內，眼科手術機器人的發展仍面臨著重大挑戰，如缺乏與智能技術的融合、手術方式單一、震顫補償技術薄弱等缺點限制了眼科手術機器人的臨床應用。未來，眼科手術機器人將根據操作空間與操作精度要求設計更多新型的智能手術工具、驅動設計與新型機構，如可從仿生學角度模仿昆蟲的虹吸式口器與產卵管運動機制，研制精準度更高的手術刀、手術針、手術鑷與導管等；針對目前眼科手術機器人涉及疾病范圍的局限性，研發出一種眼病通用型手術機器人或將成為眼科手術機器人發展的一項重大挑戰；為了提高疾病診斷、手術決策與方案規劃的準確性，為眼科手術機器人輔助操作提供指導，未來有望研發出一套眼科手術智能決策系統?？深A見的是，未來眼科手術機器人將朝著設計更加輕巧、智能，操作更為靈活、精準的方向發展。眼科顯微手術機器人的研發與臨床應用前景廣闊，但依然任重道遠。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻聲明：①姜姍、王嬌嬌負責文獻資料收集與整理；②姜姍負責撰寫全文；③吳浩冉負責論文審閱與指導。

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編輯：張笑嫣