克服手動(dòng)限制的外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

手術(shù)是一類外科手術(shù)，在手術(shù)過(guò)程中將一個(gè)長(zhǎng)柄器械通過(guò)小切口插入患者體內(nèi)需要?jiǎng)邮中g(shù)的目標(biāo)部位。與傳統(tǒng)的開放式手術(shù)相比，腹腔鏡手術(shù)能縮短恢復(fù)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(duì)相機(jī)的控制不強(qiáng)、儀器尖端能自由轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和空間有限、醫(yī)生手術(shù)器械能活動(dòng)的幅度也受局限。這些局限會(huì)導(dǎo)致外科醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中要忍受不自然和痛苦的手術(shù)姿勢(shì)，從而容易疲勞。

機(jī)器人輔助腹腔鏡手術(shù)，如系統(tǒng)，能讓外科醫(yī)生坐鎮(zhèn)立體聲控制臺(tái)通過(guò)患者床邊的機(jī)器手臂實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)窺鏡手術(shù)器械的遠(yuǎn)程控制。達(dá)芬奇系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：外科醫(yī)生主控制臺(tái)、病人床邊用于放置手術(shù)器械的手術(shù)推車和成像處理設(shè)備。該系統(tǒng)的三維可視化功能可提供深度感知，而其類似手腕狀關(guān)節(jié)的微型化手術(shù)器械提高了外科醫(yī)生的靈活度和運(yùn)動(dòng)范圍。該系統(tǒng)還通過(guò)減少手的抖動(dòng)和把外科醫(yī)生的動(dòng)作經(jīng)系統(tǒng)處理之后按比例提供給機(jī)械手臂來(lái)加強(qiáng)（對(duì)手術(shù)精度的）控制。相比醫(yī)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(jié)合和直觀的器械動(dòng)作還可以縮短外科醫(yī)生的訓(xùn)練時(shí)間。

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

達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)以麻省理工學(xué)院（原名斯坦福研究學(xué)院）研發(fā)的機(jī)器人外科手術(shù)技術(shù)為基礎(chǔ)。Intuitive Surgical隨后與IBM、麻省理工學(xué)院和Heartport公司聯(lián)手對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步開發(fā)。 FDA已經(jīng)批準(zhǔn)將達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)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(dá)芬奇機(jī)器人

達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)要求在病人身體開多達(dá)五個(gè)小型（小于1厘米）的切口，用于插入兩個(gè)手術(shù)機(jī)械手臂和一個(gè)攝像頭。放置在病人床邊的配套推車將手術(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(yī)生可以坐到房間的控制臺(tái)來(lái)操作系統(tǒng)，外科醫(yī)生的所見和感受與開放式手術(shù)是相同的。外科醫(yī)生通過(guò)對(duì)主控裝置（用于將外科醫(yī)生的動(dòng)作翻譯并傳遞給機(jī)械手臂）進(jìn)行操縱來(lái)進(jìn)行手術(shù)。外科醫(yī)生用手抓住顯示屏下方的主控裝置，手腕相對(duì)其眼睛自然地動(dòng)作。外科醫(yī)生的對(duì)主控裝置的動(dòng)作被轉(zhuǎn)換成在患者體內(nèi)進(jìn)行的精確的、實(shí)時(shí)的機(jī)器手臂動(dòng)作。

通過(guò)外科醫(yī)生的手腕、手和手指的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制主刀的機(jī)器手臂，這和典型的開放式手術(shù)是一樣的。此外，該系統(tǒng)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(zhuǎn)，超出了人類手腕的靈巧度。每一類手術(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。

病人旁邊的推車用于容納兩個(gè)機(jī)器人手臂和一個(gè)內(nèi)窺鏡手臂，它們用來(lái)復(fù)制外科醫(yī)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(duì)組織和神經(jīng)的損傷降到了最低程度。外科醫(yī)生的助手們安全好合適的手術(shù)器械，在患者身上準(zhǔn)備合適的切口，并監(jiān)管腹腔鏡機(jī)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(yī)生正在對(duì)主控制臺(tái)的主控裝置進(jìn)行操作以引導(dǎo)EndoWrist制動(dòng)器。

制動(dòng)設(shè)計(jì)

達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)集成了高端運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，這樣機(jī)器手臂的每個(gè)動(dòng)作都能像熟練的外科醫(yī)生一樣順暢、準(zhǔn)確---即便在很慢的計(jì)算速度下。每個(gè)達(dá)芬奇HD系統(tǒng)包含有30多個(gè)由馬克森精密電機(jī)公司生產(chǎn)的電機(jī)。這些電機(jī)是每個(gè)機(jī)械手臂的心臟。

馬克森電動(dòng)機(jī)為達(dá)芬奇系統(tǒng)提供輸入和輸出。通過(guò)一系列反饋控制，電機(jī)和編碼器接收了來(lái)自醫(yī)生的輸入信號(hào)，在經(jīng)過(guò)主控制臺(tái)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)翻譯后，將輸出信號(hào)傳送給機(jī)器手臂中的電機(jī)。機(jī)械手隨之通過(guò)主控制臺(tái)電路將力反向施加至外科醫(yī)生的手中。

馬克森電機(jī)的定子采用的是稀土磁鐵，其定子采用的是無(wú)鐵設(shè)計(jì)，這樣即便在低速運(yùn)行的情況下也不會(huì)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(jī)作為主控電機(jī)，機(jī)械手臂電機(jī)所用電機(jī)作為從屬電機(jī)。從屬電機(jī)的精度和主控電機(jī)的精度相同，并且還需要能在外科醫(yī)生助手移動(dòng)末端執(zhí)行器就位時(shí)后向驅(qū)動(dòng)。手術(shù)器械頂部的電機(jī)具有低遲滯性。

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

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(jī)是達(dá)芬奇系統(tǒng)核心性能特性試驗(yàn)的關(guān)鍵，這些核心性能特性測(cè)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(cè)。

基于軟件的培訓(xùn)

雖然機(jī)器人輔助、微創(chuàng)手術(shù)開始流行，但培訓(xùn)機(jī)會(huì)相對(duì)有限。因?yàn)橐軌蚴炀毜夭僮飨裣到y(tǒng)這樣復(fù)雜的工具必須有綜合性的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)， 所以開發(fā)機(jī)器人手術(shù)培訓(xùn)輔導(dǎo)工具對(duì)滿足機(jī)器人外科手術(shù)訓(xùn)練這一需求至關(guān)重要。

生物機(jī)械學(xué)）實(shí)驗(yàn)室的Nebraska Biomechanics Core Facility（內(nèi)布拉斯加生物力學(xué)核心設(shè)施），在奧馬哈內(nèi)布拉斯加大學(xué)醫(yī)療中心的Robotic Surgical實(shí)驗(yàn)室，有一群博士學(xué)生在此展開工作，旨在開發(fā)出一款面向機(jī)器人外科醫(yī)生的計(jì)算機(jī)培訓(xùn)項(xiàng)目，新手外科醫(yī)生可以在這學(xué)會(huì)如何使用這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。

手術(shù)系統(tǒng)的內(nèi)窺鏡裝置

用于達(dá)芬奇機(jī)器人

研發(fā)人員已經(jīng)用National Instruments的圖形化編程軟件開發(fā)了兩款訓(xùn)練平臺(tái)。第一款訓(xùn)練平臺(tái)設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)和記錄外科醫(yī)生在某個(gè)訓(xùn)練項(xiàng)目時(shí)的表現(xiàn)，并確保外科醫(yī)生采用了正確的動(dòng)作來(lái)完成手術(shù)。該訓(xùn)練平臺(tái)還結(jié)合了實(shí)時(shí)的視覺反饋，用于顯示告訴學(xué)員對(duì)訓(xùn)練任務(wù)或動(dòng)畫組織施加了多大的力。這種視覺反饋有助于學(xué)員在手術(shù)過(guò)程中減少對(duì)患者組織的損傷。

LabVIEW還被用于打造一款虛擬現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人手術(shù)訓(xùn)練工作環(huán)境。這個(gè)訓(xùn)練平臺(tái)通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)收集數(shù)據(jù)和調(diào)整虛擬仿真器中的訓(xùn)練任務(wù)，對(duì)進(jìn)行研究提供了靈活性。虛擬機(jī)器人外科手術(shù)訓(xùn)練允許多名外科醫(yī)生同時(shí)使用軟件而非實(shí)際的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練。這一過(guò)程為初出茅廬的外科醫(yī)生學(xué)習(xí)機(jī)器人外科手術(shù)提供了以問(wèn)題為導(dǎo)向的訓(xùn)練協(xié)議。

達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)內(nèi)所有的通信數(shù)據(jù)經(jīng)TCP / IP進(jìn)行采集，使用NI公司的USB - 6009數(shù)據(jù)采集卡連接到肌電系統(tǒng)和電測(cè)角計(jì)。這些連接采集來(lái)自外科醫(yī)生的生理測(cè)定，如肌肉激活和關(guān)節(jié)彎度。利用這些數(shù)據(jù)，研究人員和醫(yī)療人員能在機(jī)器人外科手術(shù)訓(xùn)練協(xié)議之前和之后客觀地評(píng)價(jià)手術(shù)的熟練程度。