達芬奇手術(shù)機器人的來歷,達芬奇手術(shù)機器的組成及功能

在一個小玻璃瓶內(nèi)，一粒葡萄在接受機器人做手術(shù)。手術(shù)整個流程是由一臺叫“達芬奇”的手術(shù)機器人完成的，它先是用自己的機械手撕開了一顆葡萄的表皮，后來又成功縫合了葡萄的“表皮”。葡萄的長度不到2.5厘米且非常脆弱，葡萄皮的厚度不到1毫米，在“達芬奇”縫完最后一針之后，葡萄基本上保持完美狀態(tài)。

達芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)是一種高級機器人平臺，其設(shè)計的理念是通過使用微創(chuàng)的方法，實施復(fù)雜的外科手術(shù)。達芬奇系統(tǒng)是世界上僅有的、可以正式在腹腔手術(shù)中使用的機器人手術(shù)系統(tǒng)，也是目前最復(fù)雜和最昂貴的外科手術(shù)系統(tǒng)之一。

不過其實達芬奇機器人并不是我們一貫認為的具備人形以及人工智能深度學(xué)習(xí)等功能，嚴格來說達芬奇機器人是一種高級機器人平臺，由外科醫(yī)生控制臺、床旁機械臂系統(tǒng)、成像系統(tǒng)三部分組成。

從醫(yī)學(xué)的角度來說，達芬奇機器人就是高級的腹腔鏡系統(tǒng)。它在進行手術(shù)操作時也需要機械臂穿過胸部、腹壁等等，其設(shè)計的理念是通過使用微創(chuàng)的方法，實施復(fù)雜的外科手術(shù)。

達芬奇手術(shù)機器人的來歷

達芬奇機器人的技術(shù)源于擁有官方背景的斯坦福研究院(SRI)，上世紀80年代末，一群科學(xué)家在斯坦福研究院開始了外科手術(shù)機器人的研發(fā)，初衷是要研制出適合戰(zhàn)地手術(shù)的機器人。在后續(xù)的研究中，手術(shù)機器人引起了美國國防部的關(guān)注，他們對這種醫(yī)生可以遠程操作來對士兵進行手術(shù)的系統(tǒng)很感興趣，很快這種興趣變成了實際行動。1990年的時候項目組收到了美國國家衛(wèi)生研究院的投資，希望他們能夠盡快的研究出可供實際使用的原型。

在1994的時候Frederic Moll博士對這套系統(tǒng)非常感興趣，他多次請求將“Lenny”(早期達芬奇機器人)商業(yè)化，以最大化它的價值。于是Frederic Moll和SRI經(jīng)過多次協(xié)商后成功購買了關(guān)于Lenny機器人的知識產(chǎn)權(quán)。之后在1995年成立了Intuitive Surgical Devices Inc(直覺外科公司)。

美國直覺外科公司1996年推出第一代達芬奇機器人，2006年推出的第二代機器人機械手臂活動范圍更大了，允許醫(yī)生在不離開控制臺的情況下進行多圖觀察。2009年推出了第三代機器人，相比第二代機器人，增加了雙控制臺、模擬控制器、術(shù)中熒光顯影技術(shù)等功能。第四代機器人在2014年推出，靈活度、精準度、成像清晰度等方面有了質(zhì)的提高，2014年下半年還開發(fā)了遠程觀察和指導(dǎo)系統(tǒng)。目前，達芬奇機器人已經(jīng)發(fā)展到第五代。

達芬奇手術(shù)機器人是目前全球最成功及應(yīng)用最廣泛的手術(shù)機器人，廣泛適用于普外科、泌尿科、心血管外科、胸外科、婦科、五官科、小兒外科等。達芬奇手術(shù)機器人在前列腺切除手術(shù)上應(yīng)用最多，現(xiàn)在也已越來越多地應(yīng)用于心臟瓣膜修復(fù)和婦科手術(shù)中。

達芬奇手術(shù)機器的組成及功能

達芬奇手術(shù)機器人主要由3個部分組成：外科醫(yī)生控制臺、床旁機械臂系統(tǒng)、成像系統(tǒng)。

醫(yī)生主控臺

主控臺按人體工程學(xué)原理設(shè)計，一般位于手術(shù)室無菌區(qū)之外，主刀醫(yī)生坐著使用雙手(通過操作兩個主控制器)及腳(通過腳踏板)來控制器械和一個三維高清內(nèi)窺鏡。系統(tǒng)將醫(yī)生的眼睛和手部自然延伸到患者身上，將醫(yī)生的手、手腕和手指運動準確地翻譯成手術(shù)器械的微細而精確的運動。手術(shù)器械尖端與外科醫(yī)生的雙手同步運動。

醫(yī)生通過主控臺的目鏡看到的3D顯示效果非常逼真，立體感和層次感非常好，能夠獲得準確的空間距離。支撐手臂的擋板上有個小LED顯示屏，顯示患者、術(shù)者、術(shù)式等基本信息。前方的就是操作桿了，手指套在上面進行操作，能同時控制兩條臂，進行移動、切割、止血、縫合、打結(jié)等各種操作，靈敏程度不遜人手。接下來是下面的腳踏板，左邊黑色的控制腹腔鏡機械臂的移動。右邊和普通電刀的腳踏板一樣，黃色切割，藍色止血。

從計算機專業(yè)角度看，達芬奇的主控制臺就是把醫(yī)生根據(jù)系統(tǒng)反饋的人體內(nèi)部病灶狀況及解剖圖像所確立的手術(shù)方案及步驟解析為系統(tǒng)的系列動作。

移動平臺

又叫病人側(cè)推車，這是病人端機器人系統(tǒng)。側(cè)推車具有4個固定于可移動基座的機械臂，底座通過線纜和高可靠性航空插頭與控制臺相連。中心機械臂是持鏡臂，負責(zé)握持攝像機系統(tǒng)。其余機械臂是持械臂，負責(zé)握持特制外科手術(shù)器械。臂系統(tǒng)整車依靠具有自鎖能力的腳輪支撐，可以實現(xiàn)手工移動;設(shè)有助力裝置，在沒有外部動力源的情況下，仍可提供5min左右的動力支持。每個機械臂具有一系列多位置關(guān)節(jié)和可旋轉(zhuǎn)的末端關(guān)節(jié)與套管相連，這樣在安裝時易于擺位，并保證可達手術(shù)要求的運動空間。手工進行機械臂擺位時需要借助一個控制開關(guān)以放松全部關(guān)節(jié)，放開此開關(guān)則機械臂將重新鎖定在當(dāng)前位置。每一個機械臂上有一個單獨的鍵作為末端可旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的離合器，允進行快速更換。微器械的關(guān)節(jié)由連接到其端部四個輪子的線路系統(tǒng)控制，后端采用四個小輪將來自電機的運動傳遞給鋼絲，進而帶動各關(guān)節(jié)運動。位置刷新率接近1500Hz，因此可有效去除機械震顫。微器械尖端通過獨特的機械設(shè)計實現(xiàn)6種自由度，可以通過活動器械本身提供第7種自由度(如切割或抓持)。器械具有可重復(fù)消毒的特性。

機器人手臂繞固定樞軸點移動，手術(shù)系統(tǒng)的安全檢查可以防止儀器或機器人手臂的任何獨立運動。外科醫(yī)生控制Endowrist儀器，儀器設(shè)計有七種運動，比人類手腕的運動范圍更大。每種儀器工具均作特定任務(wù)設(shè)計，如夾緊、切割、凝固、解剖、縫合及其對人體組織進行的相關(guān)操作。機械臂是系統(tǒng)的核心部件，看起來很像腹腔鏡器械，通用有針持、抓鉗、剪刀等不同的臂，位置可互換。與腹腔鏡器械不同的是，每條臂都有很多小關(guān)節(jié)，手腕器械彎曲度和旋轉(zhuǎn)度遠遠超出人的手，可以完成各種復(fù)雜到人手有時都無法完成的動作。

機器人手臂的特點：

1、手擁有7個自由度，具有人手無法企及的精確性。

2、可以過濾人手的抖動，使得手術(shù)可以更精細。

3、具有移動縮減功能的特點，也就是說醫(yī)生在操縱這一裝置的過程中，移動操作桿5毫米，在患者體內(nèi)的機械末端僅移動1毫米，這樣就大大提高了手術(shù)的精確性和安全性。

機器人的手術(shù)器械(instrument)

使用時插在病人端機器人上。機械臂是一種高值耗材，使用時臨時安裝到機器人上。這個器械上面安裝了記憶芯片，每插在機器人上一次，芯片就會計數(shù)+1, 10次以后，10次后機器人就不能使用這個器械了。這種設(shè)計的一個目的是公司要賺耗材費，二是避免器械里面結(jié)構(gòu)故障，造成手術(shù)危險。

手術(shù)器械末端具有3+1個自由度，加上3個位置自由度完全保證了在器械末端腹腔內(nèi)部的6個運動自由度(空間中有6 個自由度);另外通過直覺控制避免了普通腹腔鏡手術(shù)操作的反向操作，極大的提高了醫(yī)生操作的能力和速度。

成像系統(tǒng)

成像系統(tǒng)(VideoCart)主要由三維內(nèi)窺鏡、攝像機及處理器、觀察系統(tǒng)組成，分別位于持鏡臂、成像系統(tǒng)和控制臺上。內(nèi)裝有手術(shù)機器人的核心處理器以及圖象處理設(shè)備。手術(shù)機器人的內(nèi)窺鏡為高分辨率三維(3D)鏡頭，對手術(shù)視野具有10倍以上的放大倍數(shù)，能為主刀醫(yī)生帶來患者體腔內(nèi)三維立體高清影像，使主刀醫(yī)生能夠真實的感知和清晰地觀察到手術(shù)部位的解剖結(jié)構(gòu)，把握好操作距離，精準避開手術(shù)區(qū)域的血管和神經(jīng)，將外科醫(yī)生的手部運動轉(zhuǎn)化為患者體內(nèi)微小器械的較小、精確的運動，最大限度地保留患者器官和組織的生理功能。

放置于成像系統(tǒng)中的兩臺三晶片攝像機可以產(chǎn)生兩個具有高清晰度和色彩還原性的高質(zhì)量圖像，并分別輸出到控制臺中的兩臺手術(shù)操作監(jiān)視器。通過三維圖像觀察器，兩路略帶視差的圖像分別被發(fā)送至術(shù)者的左右眼，從而形成高質(zhì)量的三維圖像。內(nèi)窺鏡照明采用高質(zhì)量冷光源，使光線亮度達到最優(yōu)，術(shù)者可以通過調(diào)整攝像機深度和角度來獲得需要的觀察區(qū)域和放大倍數(shù)。此外，成像系統(tǒng)上面還設(shè)置了外置觀察監(jiān)視器、二氧化碳充氣機、光源及攝像機。外置監(jiān)視器的信號來自兩臺攝像機中的一臺，代表了左眼或者右眼的視覺。成像系統(tǒng)還包括兩個圖像同步器和一個聚焦控制器，以實現(xiàn)可控的高質(zhì)量三維圖像。

達芬奇手術(shù)機器人的工作流程

達芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)要求在病人身體開多達五個小型(小于1厘米)的切口，用于插入兩個手術(shù)機械手臂和一個攝像頭。放置在病人床邊的配套推車將手術(shù)器械移動到病人身邊，病人床邊會有外科手術(shù)助手在。與此同時，醫(yī)生可以坐到房間的控制臺來操作系統(tǒng)，外科醫(yī)生通過對主控裝置將外科醫(yī)生的動作翻譯并傳遞給機械手臂，機械臂根據(jù)指令進行手術(shù)，成像系統(tǒng)將手術(shù)場景進行反饋。如此外科醫(yī)生用手抓住顯示屏下方的主控裝置，手腕相對其眼睛自然地動作，而外科醫(yī)生的對主控裝置的動作被轉(zhuǎn)換成在患者體內(nèi)進行的精確的、實時的機器手臂動。由此通過外科醫(yī)生的手腕、手和手指的運動來控制主刀的機器手臂，這和典型的開放式手術(shù)是一樣的。

達芬奇手術(shù)機器人的關(guān)鍵核心技術(shù)

達芬奇手術(shù)機器人代表著當(dāng)今手術(shù)機器人最高水平，它有三個關(guān)鍵核心技術(shù)：可自由運動的手臂腕部EndoWrist、3D高清影像技術(shù)、主控臺的人機交互設(shè)計。

1、機械手臂的腕部采用能夠提供7個自由度的EndoWrist技術(shù)，可以完成人手無法實現(xiàn)的動作，觸及范圍更廣。系統(tǒng)具有振動消除系統(tǒng)和動作定標系統(tǒng)，可保證機械臂在狹小的手術(shù)視野內(nèi)進行精確的操作。此外，機械臂還能完成一些人手無法完成的極為精細的動作，手術(shù)切口也可以開得很小，從而縮短患者在手術(shù)后恢復(fù)的時間。同時還可以提高手術(shù)效率，節(jié)約費用。

達芬奇手術(shù)系統(tǒng)集成了高端運動控制技術(shù)，這樣機器手臂的每個動作都能像熟練的外科醫(yī)生一樣順暢、準確---即便在很慢的計算速度下。每個達芬奇HD系統(tǒng)包含有30多個由馬克森精密電機公司生產(chǎn)的電機。這些電機是每個機械手臂的心臟。

馬克森電動機為達芬奇系統(tǒng)提供輸入和輸出，是其主要驅(qū)動。通過一系列反饋控制，電機和編碼器接收了來自醫(yī)生的輸入信號，在經(jīng)過主控制臺電路進行實時翻譯后，將輸出信號傳送給機器手臂中的電機。機械手隨之通過主控制臺電路將力反向施加至外科醫(yī)生的手中。

馬克森電機的定子采用的是稀土磁鐵，其定子采用的是無鐵設(shè)計，這樣即便在低速運行的情況下也不會有磁性齒槽存在。

為區(qū)分它們的雙重角色，將外科醫(yī)生的床旁推車所用的電機作為主控電機，機械手臂電機所用電機作為從屬電機。從屬電機的精度和主控電機的精度相同，并且還需要能在外科醫(yī)生助手移動末端執(zhí)行器就位時后向驅(qū)動。手術(shù)器械頂部的電機具有低遲滯性。

達芬奇系統(tǒng)中使用了30多個電機。 馬克森電動機是達芬奇系統(tǒng)核心性能特性試驗的關(guān)鍵，這些核心性能特性測試包括摩擦、間隙和兼容情況，以及一系列傳感器反饋監(jiān)測。

2、三維影像平臺內(nèi)裝有外科手術(shù)機器人的核心處理器以及圖像處理設(shè)備，可由巡回護士操作。達芬奇手術(shù)系統(tǒng)的內(nèi)窺鏡可以形成三維立體圖像，手術(shù)視野圖像被放大10~15倍，提供真實的16：9比例的全景三維圖像。

3、主控臺的設(shè)計充分考慮人機交互，提供了自然的手-眼位置，舒服的坐姿降低了手術(shù)醫(yī)生的疲勞感，保證長時間手術(shù)的正常進行，內(nèi)置的麥克風(fēng)能夠讓手術(shù)中的溝通更加有效率。主刀醫(yī)生坐在控制臺中，位于手術(shù)無菌區(qū)之外，使用雙手控制兩個主控制器，使用腳控制腳踏板。控制系統(tǒng)中的運動比例縮放功能將使醫(yī)生手部的自然顫抖或無意的移動減小到最小程度。

以上關(guān)鍵技術(shù)中又以下列技術(shù)模塊最為核心

1、機器人控制技術(shù)：機器人是手術(shù)機器人系統(tǒng)的核心，它的作用有兩個：一是按命令軌跡運動將安裝在其末端的手術(shù)器械送達病灶點;二是按指令軌跡帶動手術(shù)器械運動完成操作任務(wù)。控制計算機在接收命令后根據(jù)規(guī)劃系統(tǒng)提供的軌跡參數(shù)生成機器人運動指令，該指令經(jīng)通信系統(tǒng)發(fā)送給機器人的控制器，機器人在該指令控制下完成指定的操作。機器人的靈巧操作空間必須覆蓋手術(shù)的操作空間，以保證規(guī)劃手術(shù)方案的實施。在手術(shù)的路徑選取時，有時要求避開一些人體的重要組織，要求機器人具有冗余特性，即機器人具有一定的避障能力。

2、配準與空間映射技術(shù)：空間映射是一系列坐標系間的變換關(guān)系，可以用齊次變換矩陣表示。當(dāng)在圖像空間獲得目標靶點和手術(shù)路徑信息后，通過空間映射關(guān)系可以在機器人操作空間中獲得它們的描述。在主從異構(gòu)操作系統(tǒng)中，還存在一個由主機操作空間到從機操作空間的映射變換，該映射關(guān)系由遙操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制策略決定。

3、手術(shù)器械的位姿跟蹤：手術(shù)器械的位姿跟蹤是采用某種方法實時獲得手術(shù)器械在某一已知空間中的位姿。該位姿信息和已知的手術(shù)器械尺寸信息，可用于導(dǎo)引或手術(shù)監(jiān)視系統(tǒng)。位姿信號從機器人控制器獲得，在監(jiān)視系統(tǒng)的三位患者模型上實時顯示出手術(shù)器械的位姿，提供手術(shù)時地可視化監(jiān)視功能。現(xiàn)代手術(shù)機器人一般采用光電式方法獲得位姿信息。

達芬奇手術(shù)機器人的優(yōu)勢和不足

優(yōu)勢

1.在腔鏡手術(shù)基礎(chǔ)上更加發(fā)揮腔鏡的優(yōu)勢，去除使用腔鏡的劣勢;

2.加入計算機的技術(shù)可提高手術(shù)的操控性、精確性和穩(wěn)定性;

3.向術(shù)者提供了高清晰度三維圖像并將手術(shù)野放大了10—20倍;

4.創(chuàng)新的腕部可自由活動的鏡下手術(shù)器械可使鏡下手術(shù)器械完全重現(xiàn)人手動作從而達到手眼協(xié)調(diào);

5.系統(tǒng)設(shè)計可排除主刀醫(yī)生可能的手的顫抖對手術(shù)所造成的不利影響;

6.與開放手術(shù)的視覺一致使操作者手眼協(xié)調(diào)從而加快了醫(yī)生學(xué)習(xí)進程;

7.為患者帶來更理想的手術(shù)結(jié)果，減少圍手術(shù)期后遺癥以及并發(fā)癥的發(fā)生;

8.創(chuàng)傷小、恢復(fù)快而使可接受手術(shù)的患者年齡范圍擴大并使某些危重病人接受手術(shù)成為可能;

不足

1、自身仍存在著一定的缺陷

觸覺反饋體系的缺失;手術(shù)機器人的器械臂固定以后，其操作范圍受限;整套設(shè)備的體積過于龐大，安裝、調(diào)試比較復(fù)雜;系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜，在使用過程中可能發(fā)生各種機械故障，如半路死機等;系統(tǒng)的學(xué)習(xí)曲線較長，醫(yī)生與系統(tǒng)的配合需要長時間的磨合;手術(shù)前的準備及手術(shù)中更換器械等操作耗時較長等。

2、使用成本昂貴

①購置費用高，目前國內(nèi)第三代四臂達芬奇手術(shù)機器人的總體購置費用在2000萬以上。

②二是手術(shù)成本高，機器人手術(shù)中專用的操作器械每用10次就需強制性更換，而更換一個操作器械需花費約2000美元。

③三是維修費用高，手術(shù)機器人需定期進行預(yù)防性維修，每年維修保養(yǎng)費用也是一筆不小的開支。造成機器人手術(shù)使用成本高的原因通常被認為是其生產(chǎn)商通過收購競爭對手和專利保護等手段在這一領(lǐng)域形成了壟斷所致，而這也成為制約手術(shù)機器人進一步發(fā)展的一個重要原因。