克服手動(dòng)限制的外科手術(shù)機器人系統

手術(shù)是一類(lèi)外科手術(shù)，在手術(shù)過(guò)程中將一個(gè)長(cháng)柄器械通過(guò)小切口插入患者體內需要動(dòng)手術(shù)的目標部位。與傳統的開(kāi)放式手術(shù)相比，腹腔鏡手術(shù)能縮短恢復時(shí)間、痛苦小、粘連少，使病人在術(shù)后能擁有更好的生活質(zhì)量。但是，手動(dòng)腹腔鏡手術(shù)存在很多局限，包括不能感知深度、對相機的控制不強、儀器尖端能自由轉動(dòng)的角度和空間有限、醫生手術(shù)器械能活動(dòng)的幅度也受局限。這些局限會(huì )導致外科醫生在手術(shù)過(guò)程中要忍受不自然和痛苦的手術(shù)姿勢，從而容易疲勞。

機器人輔助腹腔鏡手術(shù)，如系統，能讓外科醫生坐鎮立體聲控制臺通過(guò)患者床邊的機器手臂實(shí)現對內窺鏡手術(shù)器械的遠程控制。達芬奇系統由三個(gè)部分組成：外科醫生主控制臺、病人床邊用于放置手術(shù)器械的手術(shù)推車(chē)和成像處理設備。該系統的三維可視化功能可提供深度感知，而其類(lèi)似手腕狀關(guān)節的微型化手術(shù)器械提高了外科醫生的靈活度和運動(dòng)范圍。該系統還通過(guò)減少手的抖動(dòng)和把外科醫生的動(dòng)作經(jīng)系統處理之后按比例提供給機械手臂來(lái)加強（對手術(shù)精度的）控制。相比醫生手動(dòng)的腹腔鏡手術(shù)，符合人體工程學(xué)的儀表-手-眼結合和直觀(guān)的器械動(dòng)作還可以縮短外科醫生的訓練時(shí)間。

圖中所示的達芬奇高清外科手術(shù)系統(da Vinci Si HD Surgical System)配置有兩個(gè)外科醫生主控制臺、一臺病人手術(shù)推車(chē)和一臺用于放置顯示手術(shù)過(guò)程成像設備推車(chē)。

達芬奇機器人手術(shù)系統以麻省理工學(xué)院（原名斯坦福研究學(xué)院）研發(fā)的機器人外科手術(shù)技術(shù)為基礎。Intuitive Surgical隨后與IBM、麻省理工學(xué)院和Heartport公司聯(lián)手對該系統進(jìn)行了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。 FDA已經(jīng)批準將達芬奇機器人手術(shù)系統用于成人和兒童的普通外科、胸外科、泌尿外科、婦產(chǎn)科、頭頸外科以及心臟手術(shù)。

達芬奇機器人

達芬奇外科手術(shù)系統要求在病人身體開(kāi)多達五個(gè)小型（小于1厘米）的切口，用于插入兩個(gè)手術(shù)機械手臂和一個(gè)攝像頭。放置在病人床邊的配套推車(chē)將手術(shù)器械移動(dòng)到病人身邊，病人床邊會(huì )有外科手術(shù)助手在。與此同時(shí)，醫生可以坐到房間的控制臺來(lái)操作系統，外科醫生的所見(jiàn)和感受與開(kāi)放式手術(shù)是相同的。外科醫生通過(guò)對主控裝置（用于將外科醫生的動(dòng)作翻譯并傳遞給機械手臂）進(jìn)行操縱來(lái)進(jìn)行手術(shù)。外科醫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(dòng)作。外科醫生的對主控裝置的動(dòng)作被轉換成在患者體內進(jìn)行的精確的、實(shí)時(shí)的機器手臂動(dòng)作。

通過(guò)外科醫生的手腕、手和手指的運動(dòng)來(lái)控制主刀的機器手臂，這和典型的開(kāi)放式手術(shù)是一樣的。此外，該系統還有一系列全套的EndoWrist手術(shù)器械可供選擇。這些手術(shù)器械可以做7度角的旋轉，超出了人類(lèi)手腕的靈巧度。每一類(lèi)手術(shù)器械都有特定的作用，如用于夾緊，縫合手術(shù)和組織處理。

病人旁邊的推車(chē)用于容納兩個(gè)機器人手臂和一個(gè)內窺鏡手臂，它們用來(lái)復制外科醫生的動(dòng)作。腹腔鏡手臂以手術(shù)部位作為支樞，不用依靠患者的體腔壁來(lái)做支撐，這樣就將把對組織和神經(jīng)的損傷降到了最低程度。外科醫生的助手們安全好合適的手術(shù)器械，在患者身上準備合適的切口，并監管腹腔鏡機械手臂和正在使用的工具。

在上面的圖片中，EndoWrist制動(dòng)器正在進(jìn)行縫合操作。在下面的圖片中，外科醫生正在對主控制臺的主控裝置進(jìn)行操作以引導EndoWrist制動(dòng)器。

制動(dòng)設計

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

馬克森電動(dòng)機為達芬奇系統提供輸入和輸出。通過(guò)一系列反饋控制，電機和編碼器接收了來(lái)自醫生的輸入信號，在經(jīng)過(guò)主控制臺電路進(jìn)行實(shí)時(shí)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(guò)主控制臺電路將力反向施加至外科醫生的手中。

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

為區分它們的雙重角色，將外科醫生的床旁推車(chē)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生助手移動(dòng)末端執行器就位時(shí)后向驅動(dòng)。手術(shù)器械頂部的電機具有低遲滯性。

Intuitive公司的工程師們在達芬奇系統中使用了30多個(gè)電機。有RE25電機，有些帶有編碼器反饋，有些電機沒(méi)帶編碼器反饋；配置有GP13系列減速器和13毫米磁性編碼器的RE 13 mm電機；以及帶第三方編碼器的RE 35系列電機。

Intuitive Surgical公司總經(jīng)理兼制造工程師Mike Prindiville表示，馬克森電動(dòng)機是達芬奇系統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測。

基于軟件的培訓

雖然機器人輔助、微創(chuàng )手術(shù)開(kāi)始流行，但培訓機會(huì )相對有限。因為要能夠熟練地操作像系統這樣復雜的工具必須有綜合性的實(shí)踐和經(jīng)驗， 所以開(kāi)發(fā)機器人手術(shù)培訓輔導工具對滿(mǎn)足機器人外科手術(shù)訓練這一需求至關(guān)重要。

生物機械學(xué)）實(shí)驗室的Nebraska Biomechanics Core Facility（內布拉斯加生物力學(xué)核心設施），在奧馬哈內布拉斯加大學(xué)醫療中心的Robotic Surgical實(shí)驗室，有一群博士學(xué)生在此展開(kāi)工作，旨在開(kāi)發(fā)出一款面向機器人外科醫生的計算機培訓項目，新手外科醫生可以在這學(xué)會(huì )如何使用這項先進(jìn)技術(shù)。

手術(shù)系統的內窺鏡裝置

用于達芬奇機器人

研發(fā)人員已經(jīng)用National Instruments的圖形化編程軟件開(kāi)發(fā)了兩款訓練平臺。第一款訓練平臺設計用于監測和記錄外科醫生在某個(gè)訓練項目時(shí)的表現，并確保外科醫生采用了正確的動(dòng)作來(lái)完成手術(shù)。該訓練平臺還結合了實(shí)時(shí)的視覺(jué)反饋，用于顯示告訴學(xué)員對訓練任務(wù)或動(dòng)畫(huà)組織施加了多大的力。這種視覺(jué)反饋有助于學(xué)員在手術(shù)過(guò)程中減少對患者組織的損傷。

LabVIEW還被用于打造一款虛擬現實(shí)的機器人手術(shù)訓練工作環(huán)境。這個(gè)訓練平臺通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)收集數據和調整虛擬仿真器中的訓練任務(wù)，對進(jìn)行研究提供了靈活性。虛擬機器人外科手術(shù)訓練允許多名外科醫生同時(shí)使用軟件而非實(shí)際的醫療設備進(jìn)行訓練。這一過(guò)程為初出茅廬的外科醫生學(xué)習機器人外科手術(shù)提供了以問(wèn)題為導向的訓練協(xié)議。

達芬奇機器人手術(shù)系統內所有的通信數據經(jīng)TCP / IP進(jìn)行采集，使用NI公司的USB - 6009數據采集卡連接到肌電系統和電測角計。這些連接采集來(lái)自外科醫生的生理測定，如肌肉激活和關(guān)節彎度。利用這些數據，研究人員和醫療人員能在機器人外科手術(shù)訓練協(xié)議之前和之后客觀(guān)地評價(jià)手術(shù)的熟練程度。