揭開“達芬奇”手術機器人的神秘面紗

在一個小玻璃瓶內，一粒葡萄在接受機器人做手術。手術整個流程是由一臺叫“達芬奇”的手術機器人完成的，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。

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

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習等功能，嚴格來說達芬奇機器人是一種高級機器人平臺，由外科醫生控制臺、床旁機械臂系統、成像系統三部分組成。

從醫學的角度來說，達芬奇機器人就是高級的腹腔鏡系統。它在進行手術操作時也需要機械臂穿過胸部、腹壁等等，其設計的理念是通過使用微創的方法，實施復雜的外科手術。

達芬奇機器人的技術源于擁有官方背景的斯坦福研究院(SRI)，上世紀80年代末，一群科學家在斯坦福研究院開始了外科手術機器人的研發，初衷是要研制出適合戰地手術的機器人。在后續的研究中，手術機器人引起了美國國防部的關注，他們對這種醫生可以遠程操作來對士兵進行手術的系統很感興趣，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博士對這套系統非常感興趣，他多次請求將“Lenny”(早期達芬奇機器人)商業化，以最大化它的價值。于是Frederic Moll和SRI經過多次協商后成功購買了關于Lenny機器人的知識產權。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、術中熒光顯影技術等功能。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的提高，2014年下半年還開發了遠程觀察和指導系統。目前，達芬奇機器人已經發展到第五代。

達芬奇手術機器人是目前全球最成功及應用最廣泛的手術機器人，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。達芬奇手術機器人在前列腺切除手術上應用最多，現在也已越來越多地應用于心臟瓣膜修復和婦科手術中。

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

醫生主控臺

主控臺按人體工程學原理設計，一般位于手術室無菌區之外，主刀醫生坐著使用雙手(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窺鏡。系統將醫生的眼睛和手部自然延伸到患者身上，將醫生的手、手腕和手指運動準確地翻譯成手術器械的微細而精確的運動。手術器械尖端與外科醫生的雙手同步運動。

醫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、術者、術式等基本信息。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。

從計算機專業角度看，達芬奇的主控制臺就是把醫生根據系統反饋的人體內部病灶狀況及解剖圖像所確立的手術方案及步驟解析為系統的系列動作。

移動平臺

又叫病人側推車，這是病人端機器人系統。側推車具有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，負責握持攝像機系統。其余機械臂是持械臂，負責握持特制外科手術器械。臂系統整車依靠具有自鎖能力的腳輪支撐，可以實現手工移動;設有助力裝置，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節和可旋轉的末端關節與套管相連，這樣在安裝時易于擺位，并保證可達手術要求的運動空間。手工進行機械臂擺位時需要借助一個控制開關以放松全部關節，放開此開關則機械臂將重新鎖定在當前位置。每一個機械臂上有一個單獨的鍵作為末端可旋轉關節的離合器，允進行快速更換。微器械的關節由連接到其端部四個輪子的線路系統控制，后端采用四個小輪將來自電機的運動傳遞給鋼絲，進而帶動各關節運動。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計實現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)。器械具有可重復消毒的特性。

機器人手臂繞固定樞軸點移動，手術系統的安全檢查可以防止儀器或機器人手臂的任何獨立運動。外科醫生控制Endowrist儀器，儀器設計有七種運動，比人類手腕的運動范圍更大。每種儀器工具均作特定任務設計，如夾緊、切割、凝固、解剖、縫合及其對人體組織進行的相關操作。機械臂是系統的核心部件，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節，手腕器械彎曲度和旋轉度遠遠超出人的手，可以完成各種復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，使得手術可以更精細。

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

機器人的手術器械(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+1, 10次以后，10次后機器人就不能使用這個器械了。這種設計的一個目的是公司要賺耗材費，二是避免器械里面結構故障，造成手術危險。

手術器械末端具有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操作的反向操作，極大的提高了醫生操作的能力和速度。

成像系統

成像系統(VideoCart)主要由三維內窺鏡、攝像機及處理器、觀察系統組成，分別位于持鏡臂、成像系統和控制臺上。內裝有手術機器人的核心處理器以及圖象處理設備。手術機器人的內窺鏡為高分辨率三維(3D)鏡頭，對手術視野具有10倍以上的放大倍數，能為主刀醫生帶來患者體腔內三維立體高清影像，使主刀醫生能夠真實的感知和清晰地觀察到手術部位的解剖結構，把握好操作距離，精準避開手術區域的血管和神經，將外科醫生的手部運動轉化為患者體內微小器械的較小、精確的運動，最大限度地保留患者器官和組織的生理功能。

放置于成像系統中的兩臺三晶片攝像機可以產生兩個具有高清晰度和色彩還原性的高質量圖像，并分別輸出到控制臺中的兩臺手術操作監視器。通過三維圖像觀察器，兩路略帶視差的圖像分別被發送至術者的左右眼，從而形成高質量的三維圖像。內窺鏡照明采用高質量冷光源，使光線亮度達到最優，術者可以通過調整攝像機深度和角度來獲得需要的觀察區域和放大倍數。此外，成像系統上面還設置了外置觀察監視器、二氧化碳充氣機、光源及攝像機。外置監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。成像系統還包括兩個圖像同步器和一個聚焦控制器，以實現可控的高質量三維圖像。

達芬奇外科手術系統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器械移動到病人身邊，病人床邊會有外科手術助手在。與此同時，醫生可以坐到房間的控制臺來操作系統，外科醫生通過對主控裝置將外科醫生的動作翻譯并傳遞給機械手臂，機械臂根據指令進行手術，成像系統將手術場景進行反饋。如此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作，而外科醫生的對主控裝置的動作被轉換成在患者體內進行的精確的、實時的機器手臂動。由此通過外科醫生的手腕、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是一樣的。

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

1、機械手臂的腕部采用能夠提供7個自由度的EndoWrist技術，可以完成人手無法實現的動作，觸及范圍更廣。系統具有振動消除系統和動作定標系統，可保證機械臂在狹小的手術視野內進行精確的操作。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，手術切口也可以開得很小，從而縮短患者在手術后恢復的時間。同時還可以提高手術效率，節約費用。

達芬奇手術系統集成了高端運動控制技術，這樣機器手臂的每個動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。每個達芬奇HD系統包含有30多個由馬克森精密電機公司生產的電機。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提供輸入和輸出，是其主要驅動。通過一系列反饋控制，電機和編碼器接收了來自醫生的輸入信號，在經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。

為區分它們的雙重角色，將外科醫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生助手移動末端執行器就位時后向驅動。手術器械頂部的電機具有低遲滯性。

達芬奇系統中使用了30多個電機。馬克森電動機是達芬奇系統核心性能特性試驗的關鍵，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。

2、三維影像平臺內裝有外科手術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。達芬奇手術系統的內窺鏡可以形成三維立體圖像，手術視野圖像被放大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醫生的疲勞感，保證長時間手術的正常進行，內置的麥克風能夠讓手術中的溝通更加有效率。主刀醫生坐在控制臺中，位于手術無菌區之外，使用雙手控制兩個主控制器，使用腳控制腳踏板。控制系統中的運動比例縮放功能將使醫生手部的自然顫抖或無意的移動減小到最小程度。

以上關鍵技術中又以下列技術模塊最為核心

1、機器人控制技術：機器人是手術機器人系統的核心，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器械送達病灶點;二是按指令軌跡帶動手術器械運動完成操作任務。控制計算機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指令，該指令經通信系統發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的操作空間，以保證規劃手術方案的實施。在手術的路徑選取時，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：空間映射是一系列坐標系間的變換關系，可以用齊次變換矩陣表示。當在圖像空間獲得目標靶點和手術路徑信息后，通過空間映射關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，還存在一個由主機操作空間到從機操作空間的映射變換，該映射關系由遙操作系統的結構和控制策略決定。

3、手術器械的位姿跟蹤：手術器械的位姿跟蹤是采用某種方法實時獲得手術器械在某一已知空間中的位姿。該位姿信息和已知的手術器械尺寸信息，可用于導引或手術監視系統。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時顯示出手術器械的位姿，提供手術時地可視化監視功能。現代手術機器人一般采用光電式方法獲得位姿信息。

優勢

1.在腔鏡手術基礎上更加發揮腔鏡的優勢，去除使用腔鏡的劣勢;

2.加入計算機的技術可提高手術的操控性、精確性和穩定性;

3.向術者提供了高清晰度三維圖像并將手術野放大了10—20倍;

4.創新的腕部可自由活動的鏡下手術器械可使鏡下手術器械完全重現人手動作從而達到手眼協調;

5.系統設計可排除主刀醫生可能的手的顫抖對手術所造成的不利影響;

6.與開放手術的視覺一致使操作者手眼協調從而加快了醫生學習進程;

7.為患者帶來更理想的手術結果，減少圍手術期后遺癥以及并發癥的發生;

8.創傷小、恢復快而使可接受手術的患者年齡范圍擴大并使某些危重病人接受手術成為可能;

不足

1、自身仍存在著一定的缺陷

觸覺反饋體系的缺失;手術機器人的器械臂固定以后，其操作范圍受限;整套設備的體積過于龐大，安裝、調試比較復雜;系統的技術復雜，在使用過程中可能發生各種機械故障，如半路死機等;系統的學習曲線較長，醫生與系統的配合需要長時間的磨合;手術前的準備及手術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，目前國內第三代四臂達芬奇手術機器人的總體購置費用在2000萬以上。

②二是手術成本高，機器人手術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，手術機器人需定期進行預防性維修，每年維修保養費用也是一筆不小的開支。造成機器人手術使用成本高的原因通常被認為是其生產商通過收購競爭對手和專利保護等手段在這一領域形成了壟斷所致，而這也成為制約手術機器人進一步發展的一個重要原因。

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