全球最先進(jìn)的達芬奇手術(shù)機器人技術(shù)解析

達芬奇手術(shù)機器人的前世今生

其實(shí)，達芬奇手術(shù)機器人更正式的名稱(chēng)是“內窺鏡手術(shù)器械控制系統”，由總部位于美國加利福尼亞州陽(yáng)光谷1995年成立的直覺(jué)手術(shù)機器人公司(Intuitive Surgical) 自行設計、生產(chǎn)及銷(xiāo)售。

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(kāi)始了外科手術(shù)機器人的研發(fā)，初衷是要研制出適合戰地手術(shù)的機器人。在后續的研究中，手術(shù)機器人引起了美國國防部的關(guān)注，他們對這種醫生可以遠程操作來(lái)對士兵進(jìn)行手術(shù)的系統很感興趣，很快這種興趣變成了實(shí)際行動(dòng)。1990年的時(shí)候項目組收到了美國國家衛生研究院的投資，希望他們能夠盡快的研究出可供實(shí)際使用的原型。

在1994的時(shí)候Frederic Moll博士對這套系統非常感興趣，當時(shí)他在SRI主任Guidant手下工作，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(jià)值，然而當時(shí)鮮有人看到這一點(diǎn)，大家都在忙著(zhù)如何將它變得更酷一點(diǎn)。

于是Frederic Moll叫上剛從Acoson公司辭職的John Freund，和SRI經(jīng)過(guò)多次協(xié)商后成功購買(mǎi)了關(guān)于Lenny機器人的知識產(chǎn)權。之后在1995年成立了Intuitive Surgical Devices Inc(直覺(jué)外科公司)，他們一開(kāi)始就引入了風(fēng)險投資，投資者包括菲爾德基金、塞拉利昂資本和摩根斯坦利。

達芬奇機器人1996年推出了第一代，2006年推出的第二代機器人機械手臂活動(dòng)范圍更大了，允許醫生在不離開(kāi)控制臺的情況下進(jìn)行多圖觀(guān)察。2009年在第二代機器人的基礎上增加了雙控制臺、模擬控制器、術(shù)中熒光顯影技術(shù)等功能，進(jìn)而推出了第三代機器人。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，公司在2014年下半年還開(kāi)發(fā)了遠程觀(guān)察和指導系統。

達芬奇手術(shù)機器人是目前全球最成功及應用最廣泛的手術(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)上應用最多，現在也已越來(lái)越多地應用于心臟瓣膜修復和婦科手術(shù)中。

工作方式及特點(diǎn)

達芬奇手術(shù)機器人主要由3個(gè)部分組成：1、醫生控制系統;2、三維成像視頻影像平臺;3、機械臂，攝像臂和手術(shù)器械組成移動(dòng)平臺。實(shí)施手術(shù)時(shí)主刀醫師不與病人直接接觸，通過(guò)三維視覺(jué)系統和動(dòng)作定標系統操作控制，由機械臂以及手術(shù)器械模擬完成醫生的技術(shù)動(dòng)作和手術(shù)操作。

工作方式：

外科醫生控制臺：主刀醫生坐在控制臺中，位于手術(shù)室無(wú)菌區之外，使用雙手(通過(guò)操作兩個(gè)主控制器)及腳(通過(guò)腳踏板)來(lái)控制器械和一個(gè)三維高清內窺鏡。正如在立體目鏡中看到的那樣，手術(shù)器械尖端與外科醫生的雙手同步運動(dòng)。

床旁機械臂系統：床旁機械臂系統(Patient Cart)是外科手術(shù)機器人的操作部件，其主要功能是為器械臂和攝像臂提供支撐。助手醫生在無(wú)菌區內的床旁機械臂系統邊工作，負責更換器械和內窺鏡，協(xié)助主刀醫生完成手術(shù)。為了確?；颊甙踩?，助手醫生比主刀醫生對于床旁機械臂系統的運動(dòng)具有更高優(yōu)先控制權。

成像系統：成像系統(Video Cart)內裝有外科手術(shù)機器人的核心處理器以及圖象處理設備，在手術(shù)過(guò)程中位于無(wú)菌區外，可由巡回護士操作，并可放置各類(lèi)輔助手術(shù)設備。外科手術(shù)機器人的內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，能為主刀醫生帶來(lái)患者體腔內三維立體高清影像，使主刀醫生較普通腹腔鏡手術(shù)更能把握操作距離，更能辨認解剖結構，提升了手術(shù)精確度。

達芬奇手術(shù)機器人優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

從患者角度：(1)手術(shù)操作更精確，與腹腔鏡(二維視覺(jué))相比，因三維視覺(jué)可放大10-15倍，使手術(shù)精確度大大增加，術(shù)后恢復快，愈合好。(2)曲線(xiàn)較腹腔鏡短。(3)創(chuàng )傷更小，使微創(chuàng )手術(shù)指征擴大，減少術(shù)后疼痛，縮短住院時(shí)間，減少失血量，減少術(shù)中的組織創(chuàng )傷和炎性反應導致的術(shù)后粘連，增加美容效果，更快投入工作。(4)術(shù)中對機體損傷大大減小。

從術(shù)者角度：增加視野角度，減少手部顫動(dòng)，機器人“內腕”較腹腔鏡更為靈活，能以不同角度在靶器官周?chē)僮?，能夠在有限狹窄空間工作;使術(shù)者在輕松工作環(huán)境工作，減少疲勞更集中精力;減少參加手術(shù)人員，提高效率，降低人力成本。

缺點(diǎn)

機器人做外科手術(shù)的成本比較高，每臺醫用機器人的最高成本200多萬(wàn)美元。全世界僅有少數醫院可實(shí)施機器人手術(shù)，因此使機器人手術(shù)的成本不能大幅度降低。因此，手術(shù)費用明顯比常規手術(shù)要高。

目前在中國批準上市的只有美國生產(chǎn)的達芬奇機器人手術(shù)系統，中國大陸、臺灣和日本等也在加緊研制。

三個(gè)關(guān)鍵核心技術(shù)

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

機械手臂的腕部采用能夠提供7個(gè)自由度的EndoWrist技術(shù)，可以完成人手無(wú)法實(shí)現的動(dòng)作，觸及范圍更廣。系統具有振動(dòng)消除系統和動(dòng)作定標系統，可保證機械臂在狹小的手術(shù)視野內進(jìn)行精確的操作。此外，機械臂還能完成一些人手無(wú)法完成的極為精細的動(dòng)作，手術(shù)切口也可以開(kāi)得很小，從而縮短患者在手術(shù)后恢復的時(shí)間。同時(shí)還可以提高手術(shù)效率，節約費用。

三維影像平臺內裝有外科手術(shù)機器人的核心處理器以及圖像處理設備，可由巡回護士操作。達芬奇手術(shù)系統的內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(shí)的16：9比例的全景三維圖像。

主控臺的設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)醫生的疲勞感，保證長(cháng)時(shí)間手術(shù)的正常進(jìn)行，內置的麥克風(fēng)能夠讓手術(shù)中的溝通更加有效率。主刀醫生坐在控制臺中，位于手術(shù)無(wú)菌區之外，使用雙手控制兩個(gè)主控制器，使用腳控制腳踏板?？刂葡到y中的運動(dòng)比例縮放功能將使醫生手部的自然顫抖或無(wú)意的移動(dòng)減小到最小程度。

手術(shù)機器人系統的原理及關(guān)鍵技術(shù)

手術(shù)機器人系統典型結構示意圖

大量的圖像處理技術(shù)、定位配準技術(shù)、自動(dòng)化與控制技術(shù)的應用實(shí)現了以上五個(gè)功能單元，而在眾多技術(shù)中以下三個(gè)技術(shù)模塊是最為關(guān)鍵：

機器人控制技術(shù)：機器人是手術(shù)機器人系統的核心，它的作用有兩個(gè)：一是按命令軌跡運動(dòng)將安裝在其末端的手術(shù)器械送達病灶點(diǎn);二是按指令軌跡帶動(dòng)手術(shù)器械運動(dòng)完成操作任務(wù)?？刂朴嬎銠C在接收命令后根據規劃系統提供的軌跡參數生成機器人運動(dòng)指令，該指令經(jīng)通信系統發(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，以保證規劃手術(shù)方案的實(shí)施。在手術(shù)的路徑選取時(shí)，有時(shí)要求避開(kāi)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。

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。當在圖像空間獲得目標靶點(diǎn)和手術(shù)路徑信息后，通過(guò)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。在主從異構操作系統中，還存在一個(gè)由主機操作空間到從機操作空間的映射變換，該映射關(guān)系由遙操作系統的結構和控制策略決定。

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(shí)時(shí)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，可用于導引或手術(shù)監視系統。位姿信號從機器人控制器獲得，在監視系統的三位患者模型上實(shí)時(shí)顯示出手術(shù)器械的位姿，提供手術(shù)時(shí)地可視化監視功能?，F代手術(shù)機器人一般采用光電式方法獲得位姿信息。

智能機器人關(guān)鍵技術(shù)

1、多傳感器信息融合

多傳感器信息融合技術(shù)是近年來(lái)十分熱門(mén)的研究課題，它與控制理論、信號處理、人工智能、概率和統計相結合，為機器人在各種復雜、動(dòng)態(tài)、不確定和未知的環(huán)境中執行任務(wù)提供了一種技術(shù)解決途徑。

2、導航與定位

在機器人系統中，自主導航是一項核心技術(shù)，是機器人研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

3、路徑規劃

路徑規劃技術(shù)是機器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。最優(yōu)路徑規劃就是依據某個(gè)或某些優(yōu)化準則(如工作代價(jià)最小、行走路線(xiàn)最短、行走時(shí)間最短等)，在機器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)、可以避開(kāi)障礙物的最優(yōu)路徑。

4、機器人視覺(jué)

視覺(jué)系統是自主機器人的重要組成部分，一般由攝像機、圖像采集卡和計算機組成。機器人視覺(jué)系統的工作包括圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出和顯示，核

心任務(wù)是特征提取、圖像分割和圖像辨識。

5、智能控制

隨著(zhù)機器人技術(shù)的發(fā)展，對于無(wú)法精確解析建模的物理對象以及信息不足的病態(tài)過(guò)程，傳統控制理論暴露出缺點(diǎn)，近年來(lái)許多學(xué)者提出了各種不同的機器人智能控制系統。

6、人機接口技術(shù)

智能機器人的研究目標并不是完全取代人，復雜的智能機器人系統僅僅依靠計算機來(lái)控制目前是有一定困難的，即使可以做到，也由于缺乏對環(huán)境的適應能力而并不實(shí)用。智能機器人系統還不能完全排斥人的作用，而是需要借助人機協(xié)調來(lái)實(shí)現系統控制。因此，設計良好的人機接口就成為智能機器人研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一。

國內手術(shù)機器人市場(chǎng)及現狀

在美國的一些一流醫院，機器人做微創(chuàng )手術(shù)的比例已經(jīng)超過(guò)全院外科手術(shù)的50%，很多接受達芬奇手術(shù)的病人，因為傷口小，損傷小，恢復非?？炜梢宰龅绞中g(shù)后24小時(shí)出院。2007至2013年間美國有170萬(wàn)名病人進(jìn)行了機器人手術(shù)。

目前在中國等新興市場(chǎng)，由于裝機數量的局限，手術(shù)滲透率還很低，截至2015年12月，分布在全國各地的幾十臺“達芬奇手術(shù)機器人”在去年共完成手術(shù)11445例，歷年總計完成手術(shù)22917例。

國內醫療機器人市場(chǎng)蘊含巨大潛力。2010-2014 年來(lái)全國醫療機構床位量以及住院人數年復增長(cháng)率分別達到 7.5%和 9.6%，同時(shí)我國已步入老年化社會(huì )，老年人口數量年復增長(cháng)率達到 3.54%。此外我國因中風(fēng)、外傷等導致喪失勞動(dòng)力人口也在節節攀升。這些人群對微創(chuàng )、高效、優(yōu)質(zhì)的臨床服務(wù)需求增加，巨大的市場(chǎng)需求將推動(dòng)醫療機器人市場(chǎng)在我國得到快速發(fā)展。

由于目前外科手術(shù)機器人生產(chǎn)商的技術(shù)和市場(chǎng)壟斷，使得手術(shù)機器人的購置費用高、手術(shù)成本高、維護費用高。這就直接導致我國醫院手術(shù)機器人的普及率遠低于歐美，也不及亞洲日、韓等近鄰。目前，國內研究人員正在加緊研制各種手術(shù)機器人及其輔助設備、耗材。從長(cháng)遠看，當前的手術(shù)機器人技術(shù)和市場(chǎng)的壟斷地位可能被打破，手術(shù)機器人使用成本的下降是必然趨勢。

海軍總醫院與北京航天航空大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的機器人系統CRAS(Computer and Robot Assisted Surgery，CRAS)是國內手術(shù)機器人系統的先行者，已完成第五代的研制和臨床應用。CRAS機器人系統選用PUMA260、262機器人作為系統輔助操作的執行機構。第一代機器人于1997年5月首次應用于臨床。第二代1999年研制成功，實(shí)現了無(wú)框架立體定向手術(shù)。第五代機器人除了前四代機器人的特點(diǎn)外，自動(dòng)定位功能更加先進(jìn)，實(shí)現了視覺(jué)自動(dòng)定位，使手術(shù)誤差更小，手術(shù)操作更加快捷安全。該系統能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施遠程操作手術(shù)。2005年12月12日，在北京與延安之間利用互聯(lián)網(wǎng)成功進(jìn)行了2例立體定向手術(shù)。雖然如此，CARS手術(shù)機器人在擴大適用范圍和實(shí)用性方面還是有許多問(wèn)題需要解決。

2013年11月，國家“863”計劃資助項目——“微創(chuàng )腹腔外科手術(shù)機器人系統”，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所研制成功，并通過(guò)國家“863”計劃專(zhuān)家組的驗收。據哈工大機器人研究所的研發(fā)人員介紹，國產(chǎn)微創(chuàng )腹腔外科手術(shù)機器人系統具有我國自主知識產(chǎn)權，研究人員針對微創(chuàng )外科手術(shù)的多種術(shù)式，在手術(shù)機器人系統的機械設計、主從控制算法、三維(3D)腹腔鏡與系統集成等關(guān)鍵技術(shù)上都進(jìn)行了重要突破，并申請了多項國家發(fā)明專(zhuān)利。

2014年04月，中南大學(xué)湘雅三醫院順利完成了3例國產(chǎn)機器人手術(shù)，這是我國自主研制的手術(shù)機器人系統首次運用于臨床。該手術(shù)機器人就是天津大學(xué)研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的微創(chuàng )外科手術(shù)機器人系統——“妙手S”。“妙手S”系統較國外同類(lèi)產(chǎn)品有三點(diǎn)技術(shù)優(yōu)勢，第一是運用了微創(chuàng )手術(shù)器械多自由度絲傳動(dòng)解耦設計技術(shù)，解決了運動(dòng)耦合問(wèn)題，固定、防滑、防松，更有利于精度保持。第二是實(shí)現了從操作手的可重構布局原理與實(shí)現技術(shù)，使機器人的“胳膊”更輕，更適應手術(shù)的需要。第三是運用系統異體同構控制模型構建技術(shù)，解決了立體視覺(jué)環(huán)境下手-眼-器械運動(dòng)的一致性。據了解，“妙手S”外科手術(shù)機器人系統將有望3年內投產(chǎn)。

圖：天津大學(xué)“妙手S”手術(shù)機器人