克服手動限制的外科手術機器人系統(tǒng)

手術是一類外科手術，在手術過程中將一個長柄器械通過小切口插入患者體內(nèi)需要動手術的目標部位。與傳統(tǒng)的開放式手術相比，腹腔鏡手術能縮短恢復時間、痛苦小、粘連少，使病人在術后能擁有更好的生活質量。但是，手動腹腔鏡手術存在很多局限，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的角度和空間有限、醫(yī)生手術器械能活動的幅度也受局限。這些局限會導致外科醫(yī)生在手術過程中要忍受不自然和痛苦的手術姿勢，從而容易疲勞。

機器人輔助腹腔鏡手術，如系統(tǒng)，能讓外科醫(yī)生坐鎮(zhèn)立體聲控制臺通過患者床邊的機器手臂實現(xiàn)對內(nèi)窺鏡手術器械的遠程控制。達芬奇系統(tǒng)由三個部分組成：外科醫(yī)生主控制臺、病人床邊用于放置手術器械的手術推車和成像處理設備。該系統(tǒng)的三維可視化功能可提供深度感知，而其類似手腕狀關節(jié)的微型化手術器械提高了外科醫(yī)生的靈活度和運動范圍。該系統(tǒng)還通過減少手的抖動和把外科醫(yī)生的動作經(jīng)系統(tǒng)處理之后按比例提供給機械手臂來加強（對手術精度的）控制。相比醫(yī)生手動的腹腔鏡手術，符合人體工程學的儀表-手-眼結合和直觀的器械動作還可以縮短外科醫(yī)生的訓練時間。

圖中所示的達芬奇高清外科手術系統(tǒng)(da Vinci Si HD Surgical System)配置有兩個外科醫(yī)生主控制臺、一臺病人手術推車和一臺用于放置顯示手術過程成像設備推車。

達芬奇機器人手術系統(tǒng)以麻省理工學院（原名斯坦福研究學院）研發(fā)的機器人外科手術技術為基礎。Intuitive Surgical隨后與IBM、麻省理工學院和Heartport公司聯(lián)手對該系統(tǒng)進行了進一步開發(fā)。 FDA已經(jīng)批準將達芬奇機器人手術系統(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。

達芬奇機器人

達芬奇外科手術系統(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(yī)生可以坐到房間的控制臺來操作系統(tǒng)，外科醫(yī)生的所見和感受與開放式手術是相同的。外科醫(yī)生通過對主控裝置（用于將外科醫(yī)生的動作翻譯并傳遞給機械手臂）進行操縱來進行手術。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。外科醫(yī)生的對主控裝置的動作被轉換成在患者體內(nèi)進行的精確的、實時的機器手臂動作。

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是一樣的。此外，該系統(tǒng)還有一系列全套的EndoWrist手術器械可供選擇。這些手術器械可以做7度角的旋轉，超出了人類手腕的靈巧度。每一類手術器械都有特定的作用，如用于夾緊，縫合手術和組織處理。

病人旁邊的推車用于容納兩個機器人手臂和一個內(nèi)窺鏡手臂，它們用來復制外科醫(yī)生的動作。腹腔鏡手臂以手術部位作為支樞，不用依靠患者的體腔壁來做支撐，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(yī)生的助手們安全好合適的手術器械，在患者身上準備合適的切口，并監(jiān)管腹腔鏡機械手臂和正在使用的工具。

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

制動設計

達芬奇手術系統(tǒng)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(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。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)行器就位時后向驅動。手術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(tǒng)中使用了30多個電機。有RE25電機，有些帶有編碼器反饋，有些電機沒帶編碼器反饋；配置有GP13系列減速器和13毫米磁性編碼器的RE 13 mm電機；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，馬克森電動機是達芬奇系統(tǒng)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(jiān)測。

基于軟件的培訓

雖然機器人輔助、微創(chuàng)手術開始流行，但培訓機會相對有限。因為要能夠熟練地操作像系統(tǒng)這樣復雜的工具必須有綜合性的實踐和經(jīng)驗， 所以開發(fā)機器人手術培訓輔導工具對滿足機器人外科手術訓練這一需求至關重要。

生物機械學）實驗室的Nebraska Biomechanics Core Facility（內(nèi)布拉斯加生物力學核心設施），在奧馬哈內(nèi)布拉斯加大學醫(yī)療中心的Robotic Surgical實驗室，有一群博士學生在此展開工作，旨在開發(fā)出一款面向機器人外科醫(yī)生的計算機培訓項目，新手外科醫(yī)生可以在這學會如何使用這項先進技術。

手術系統(tǒng)的內(nèi)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發(fā)了兩款訓練平臺。第一款訓練平臺設計用于監(jiān)測和記錄外科醫(yī)生在某個訓練項目時的表現(xiàn)，并確保外科醫(yī)生采用了正確的動作來完成手術。該訓練平臺還結合了實時的視覺反饋，用于顯示告訴學員對訓練任務或動畫組織施加了多大的力。這種視覺反饋有助于學員在手術過程中減少對患者組織的損傷。

LabVIEW還被用于打造一款虛擬現(xiàn)實的機器人手術訓練工作環(huán)境。這個訓練平臺通過以太網(wǎng)來收集數(shù)據(jù)和調整虛擬仿真器中的訓練任務，對進行研究提供了靈活性。虛擬機器人外科手術訓練允許多名外科醫(yī)生同時使用軟件而非實際的醫(yī)療設備進行訓練。這一過程為初出茅廬的外科醫(yī)生學習機器人外科手術提供了以問題為導向的訓練協(xié)議。

達芬奇機器人手術系統(tǒng)內(nèi)所有的通信數(shù)據(jù)經(jīng)TCP / IP進行采集，使用NI公司的USB - 6009數(shù)據(jù)采集卡連接到肌電系統(tǒng)和電測角計。這些連接采集來自外科醫(yī)生的生理測定，如肌肉激活和關節(jié)彎度。利用這些數(shù)據(jù)，研究人員和醫(yī)療人員能在機器人外科手術訓練協(xié)議之前和之后客觀地評價手術的熟練程度。