目的：探讨辅助角膜移植显微手术机器人系统的实验性应用效果。
　　方法：实验研究。采用人机协同手术方式，建立具有六个子系统的角膜移植显微手术机器人系统，并对20只兔眼角膜进行钻切、缝合实验；观察手术目标定位误差、切口圆周对称性、角膜钻切深度及缝合跨距等指标；利用SPSS 11.5软件对上述指标进行统计描述。
　　结果：20只角膜钻切、缝合手术操作均按照机器人及计算机导航系统的预定程序完成，其手术钻切中心定位误差为（0.356±0.040）mm，切口横纵跨度比为（0.855±0.040），角膜圆周不同位置钻切深度误差小于10μm，病理组织切片可见角膜切缘整齐，角膜切口附近各层组织结构及厚度无明显变化；缝合装置的缝合跨距（2.15±0.09） mm，与目标跨距2.00 mm误差(0.15±0.02) mm。
　　结论：辅助角膜移植显微手术机器人系统设计合理；系统的基本功能可满足角膜移植手术的要求；在实验动物的角膜钻切、缝合过程中具有较好的稳定性和准确性。北京同仁医院眼角膜科梁庆丰
　　医疗外科机器人是一种具有人工触觉、由计算机指令控制的有源机械手。它能够在导航定位系统的指引下，通过移动和定位手术器械来完成一定范围内的手术操作。近年来，随着医学成像技术、图像处理技术、精密机械自控技术及计算机信息技术高速发展，医用机器人及计算机辅助导航手术系统已经从理论走向实践。在眼科领域，国外一些学者已开始研制用于眼科显微手术的机器人系统，例如Charles等研制出灵活性较高的用于取出球内异物的眼科显微手术机器人，并进行了模拟手术。Tejima 等，Lang 等，Langenbucher 等对角膜移植显微手术机器人开展了一些初步的相关研究，但均集中在功能原理及角膜切割方法的研究上，对于机器人系统的结构、手术操作流程、移植中切割与缝合的自动化等问题未做深入研究。经检索文献，笔者未发现国内有相关方面的研究报道。在我国国家高技术研究发展计划基金的资助下，北京航空航天大学与首都医科大学附属北京同仁医院眼科研究所联合研制开发了辅助角膜移植显微手术机器人系统，并对其系统结构、自主控制、视觉定位、植床、植片切割及自动缝合等方面开展了研究。
　　材料与方法
　　一、系统设计
　　辅助角膜移植显微手术机器人系统设计的总体目标是实现手术者和机器人的合理分工，保证精确、安全、高效地完成角膜钻切和缝合两个手术任务。眼科医师在整个手术流程中处于主导地位，发出控制指令并对机器人操作情况进行实时监控。
　　1、系统的组成：分析角膜移植人工手术过程，确定人机协同手术操作流程，包括术前准备工作、供体植片制备、病体植床制备、角膜缝合及术后处理5个阶段。医师将中间3个阶段的手术动作交给机器人完成。整个机器人具有以下6个子系统：⑴、视觉系统：确定术眼位置，给出眼球视轴方向，引导机器人系统进行手术；⑵、控制系统：综合各子系统的信息，收集操作参数，医师确定最终输入的手术参数；⑶、力/位感知系统：反馈末端执行器与眼球接触时的作用力信息和钻切时的深度信息；⑷、机械主系统；⑸、机械子系统――末端执行器：角膜环钻接触眼球，按医生指令完成角膜钻切过程；⑹、机械子系统――自动缝合机构：将角膜植片和患者植床紧密贴合后，完成角膜缝合的出针及拔针动作。
        2、系统的相关配套器械：机器人定位功能模块、末端执行器及传感器之间采用快速接口技术（数据接口与机械接口）连接；配套的手术器械包括不同直径的角膜环钻、10-0角膜缝线、角膜镊及角膜剪，均放于同一手术器械盒，手术器械消毒采用手术室常规高压蒸气灭菌法。
　　3、手术现场的空间布局和组成：本系统可在常规手术室进行手术，机器人位于患者头部一侧，医师需在原手术位置通过显微镜观察手术的进展情况，以便随时采取措施纠正机器人的错误操作。计算机控制系统不需要消毒，可远离术区安放，有专职手术人员操作该系统。
　　二、手术方法
　　1、手术对象：一级新西兰白兔20只，雌雄不限，购于北京动物实验中心，体重2.0～2.5kg。均右眼制作模型。
　　2、角膜钻切的手术方法：基础麻醉加术眼表面麻醉后，开睑器开睑，缝上下直肌牵引固定缝线，调整手术显微镜，完成术前准备。机器人首先利用标定块进行视觉标定，通过兔角膜显微图像，确定手术目标点，利用视觉定位法计算出手术目标点的空间位置，并适时调整。对手术机器人发出操作指令，环钻端即刻定位目标点。按照设定的钻切深度自动钻切兔眼角膜。钻切的过程中，力/位感知系统将自动适时反馈末端执行器与眼球接触时的作用力信息和钻切时的深度信息，达到设定的深度后环钻自动停止，并复位。实验设定了两个钻切深度，分别为150、300μm（将20只动物随即数字表法，随机分为两组，每组10只眼）。
　　3、角膜缝合手术方法：对行角膜钻切的16只兔眼进行缝合实验（20只动物中有4只动物因行病理学检查，钻切深度150μm及300μm各2只，未参加缝合实验）。方法为对已钻切的角膜缝合4针，机器人缝合是将带10-0线的显微缝合针固定于末端持针器上，医生通过计算机程序控制缝合机构的进针和出针手术动作，缝合深度分别为150或300μm，结线和剪线操作将由医师完成。
　　三、钻切与缝合效果评价
　　1、角膜钻切的实际位置与手术目标位置的误差测量：20只兔眼术后角膜行荧光素染色，钴蓝光下外眼照相（放大倍数、亮度、位置保持一致），对图像进行处理，提取实际钻切角膜瓣的边缘，并作圆形拟合，得到拟合圆的圆心位置，与手术目标位置进行比较，求出位置误差，公式如下：
　　其中，τi（i=x，y）是沿x, y方向的显微图像分辨率；xc , yc是实际钻切角膜瓣拟合圆的圆心位置；xd , yd是手术目标位置。对20次手术位置误差进行均值和均方差的计算。
　　2、角膜钻切边缘圆周对称性评价：在角膜钻切的显微图像上，选择4点（12、3、6、9 点），其坐标分别为(x12 ，y12 ) , (x3 ，y3)，(x6 ，y6 )和(x9 ，y9)，计算切口横向跨度S x =τx.( x9―-x3)及纵向跨度Sy=τy.(y12―y6)，求出切口跨度横纵比（A= S x / Sy），作为手术切口对称性的评价标准。
　　3、角膜钻切实际深度的测量：对4只兔眼（钻切深度150μm及300μm各2只），通过显微镜测量法了解角膜钻切的实际深度。方法为：⑴通过预置缝线（12点为8-0线，3点为4-0线）定位待测角膜；⑵处死动物，剪下角膜，4％甲醛溶液固定，24h后对角膜标本进行石蜡包埋、切片、苏木精―伊红染色。借助物镜显微尺，观测所选6点（2、4、6、8、10、12 点）处角膜切口的深度，并做钻切深度沿圆周的分布图。
　　4、病理组织学评价钻切效果：接续步骤3，观察角膜各层结构、厚度有无变化；了解角膜切缘处的整齐程度及周围组织的变化情况。
　　5、定量评价缝合机构缝合角膜的跨距：缝线穿过角膜后，利用游标卡尺测量缝针穿入点与穿出点之间的距离（即跨距），并计算实际跨距与目标跨距的误差。
　　结果
　　一、角膜钻切位置误差结果
　　角膜钻切后，荧光素染色钴蓝光照相，通过显微图像处理算法提取角膜切口边缘，并作圆拟合，得到手术圆形切口的中心位置，图中十字线交点即为拟合圆的圆心位置，小圆圈中心为操作医师确定的目标点。对20次机器人手术的位置误差进行均值和均方差的计算，钻切位置误差为（0.356±0.040）mm（n=20）。
　　二、角膜切口圆周对称性评价结果
　　评价术后角膜切口的对称性，计算每次切口的横纵跨度比（A），用均值和均方差来表示，机器人切口横纵跨度比A值为0.855±0.040。
　　三、角膜钻切实际深度的测量
　　借助物镜显微尺，将病理组织切片在显微镜下进行测量，得出角膜钻切的实际深度，观测所选6个点（2、4、6、8、10、12 点）处角膜切口深度，绘制出钻切深度沿圆周分布图，各点间钻切深度误差小于10μm。
　　四、病理组织学评价钻切效果
　　通过病理组织切片可见角膜各层组织的结构和厚度无明显变化，角膜切口边缘光滑，切面整齐，切口处较少出现水肿；同时观察染色后的内皮细胞，其细胞形态完整，损伤较小。
　　五、缝合机构缝合角膜的评价结果
　　角膜机器人缝合机构在视觉系统的引导下可以很好地完成定位缝合操作，通过测量得到机器人缝合时的跨距为（2.15±0.09）mm，与目标跨距2.00mm误差（0.15±0.02）mm，缝合深度误差小于10μm。通过实验表明，利用机器人缝合机构缝合的跨距较为稳定，符合外科手术对缝合跨距的要求。
　　讨论
　　辅助角膜移植显微手术机器人涉及自动控制、机械设计、图像处理、显微外科及眼科学等多个学科知识，无论对眼科医生还是工程技术人员都是一个全新的课题。目前国内、外还没有角膜移植显微手术机器人应用于临床的相关报道，同类研究文献也很少。相对于心胸外科、骨科及妇产科等外科机器人系统，眼科机器人的研究和应用还不够活跃和广泛，原因可能是眼科手术以显微手术为主，手术精细度高，而目前外科机器人设备的机械臂缺少力觉和触觉的反馈功能，手眼协调能力较差，缺少人手一样的灵巧操作等。因此，本研究小组从上述3个薄弱点出发，设计、研制了角膜移植手术机器人系统雏形。
　　辅助角膜移植显微手术机器人具有如下创新性：⑴、该系统采用五自由度的手臂机构型式及精密的定位平台，末端执行器集成微小型力觉和位置传感器，有效地反馈手术操作信息，精确控制切割力和钻切深度；通过双摄像机的显微图像信息，计算手术目标点的空间位置，引导机器人完成关键的手术操作。⑵、角膜自动缝合机构面向手术缝合操作中的进针和出针动作，通过分析医师手术录像中的缝合动作，对显微缝合针的运动轨迹，进、出针速度进行量化研究。⑶、人性化的人机交互操作界面充分考虑了角膜移植手术的特点及操作流程。对于术中出现的数据，例如手术目标点、环钻切割深度、速度和缝合进、出针位置点等，可由医师根据实时采集的显微手术图像或相关提示，利用键盘、鼠标在人机交互界面中输入。切割力和深度信息以图线方式实时显示并记录在计算机中，便于医师对机器人手术实施情况进行监控。
　　尽管本系统具有一定创新性，但在操作过程中存在一定问题。例如，只能实现钻切动作，不能进行板层分离及植床、植片的对合动作；只能完成穿针和拔针的手术动作，不能进行结线和剪线操作；手术对穿透性角膜移植还缺乏相应的处理方法；对系统操作的评价方法还需进一步完善，结合计算机技术综合进行评估，利用相应软件对角膜移植手术的术后效果进行生物力学的三维结构分析。今后的研究要在此基础上，结合目前的角膜板层刀技术逐步实现角膜板层分离机器人化，并实现多针同时缝合，这样就能很好完成板层角膜移植手术。对于穿透性角膜移植手术，机器人手术系统还需增加眼内压检测系统，实时监测眼内环境的变化情况，减少角膜环钻对眼内组织的损伤。在原系统评价方法的基础上，进行适当改进，尤其增加手术开始前的临床评估模块，保证手术操作安全、准确。另外，要有专门人员研究、执行临床评估，制定角膜移植机器人系统的临床评价标准。
　　在某种意义上说，辅助角膜移植手术机器人系统的建立是对角膜移植手术的促进和发展，它符合21 世纪外科手术向微创化、智能化、人工化方向迈进的趋势。但是，该系统毕竟尚处于发展和逐渐完善的阶段，其技术和设备还未成熟。建立角膜移植手术机器人系统的根本目的是解决临床实际问题，但目前本研究仅停留于实验室水平。经过不懈努力，辅助角膜移植显微手术机器人系统将会具有更加强大的功能，满足手术需要，并向临床化和产业化方向发展，为更多角膜病致盲患者服务。