全球最先進的達芬奇手術(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，達芬奇手術(shù)機器人更正式的名稱是“內(nèi)窺鏡手術(shù)器械控制系統(tǒng)”，由總部位于美國加利福尼亞州陽光谷1995年成立的直覺手術(shù)機器人公司(Intuitive Surgical) 自行設(shè)計、生產(chǎn)及銷售。

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，一群科學家在斯坦福研究院開始了外科手術(shù)機器人的研發(fā)，初衷是要研制出適合戰(zhàn)地手術(shù)的機器人。在后續(xù)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(yī)生可以遠程操作來對士兵進行手術(shù)的系統(tǒng)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(wèi)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(tǒng)非常感興趣，當時他在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，以最大化它的價值，然而當時鮮有人看到這一點，大家都在忙著如何將它變得更酷一點。

于是Frederic Moll叫上剛從Acoson公司辭職的John Freund，和SRI經(jīng)過多次協(xié)商后成功購買了關(guān)于Lenny機器人的知識產(chǎn)權(quán)。之后在1995年成立了Intuitive Surgical Devices Inc(直覺外科公司)，他們一開始就引入了風險投資，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范圍更大了，允許醫(yī)生在不離開控制臺的情況下進行多圖觀察。2009年在第二代機器人的基礎(chǔ)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年下半年還開發(fā)了遠程觀察和指導(dǎo)系統(tǒng)。

達芬奇手術(shù)機器人是目前全球最成功及應(yīng)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(yīng)用最多，現(xiàn)在也已越來越多地應(yīng)用于心臟瓣膜修復(fù)和婦科手術(shù)中。

工作方式及特點

達芬奇手術(shù)機器人主要由3個部分組成：1、醫(yī)生控制系統(tǒng);2、三維成像視頻影像平臺;3、機械臂，攝像臂和手術(shù)器械組成移動平臺。實施手術(shù)時主刀醫(yī)師不與病人直接接觸，通過三維視覺系統(tǒng)和動作定標系統(tǒng)操作控制，由機械臂以及手術(shù)器械模擬完成醫(yī)生的技術(shù)動作和手術(shù)操作。

工作方式：

外科醫(yī)生控制臺：主刀醫(yī)生坐在控制臺中，位于手術(shù)室無菌區(qū)之外，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(nèi)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(yī)生的雙手同步運動。

床旁機械臂系統(tǒng)：床旁機械臂系統(tǒng)(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(yī)生在無菌區(qū)內(nèi)的床旁機械臂系統(tǒng)邊工作，負責更換器械和內(nèi)窺鏡，協(xié)助主刀醫(yī)生完成手術(shù)。為了確?；颊甙踩?，助手醫(yī)生比主刀醫(yī)生對于床旁機械臂系統(tǒng)的運動具有更高優(yōu)先控制權(quán)。

成像系統(tǒng)：成像系統(tǒng)(Video Cart)內(nèi)裝有外科手術(shù)機器人的核心處理器以及圖象處理設(shè)備，在手術(shù)過程中位于無菌區(qū)外，可由巡回護士操作，并可放置各類輔助手術(shù)設(shè)備。外科手術(shù)機器人的內(nèi)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(shù)，能為主刀醫(yī)生帶來患者體腔內(nèi)三維立體高清影像，使主刀醫(yī)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(jié)構(gòu)，提升了手術(shù)精確度。

達芬奇手術(shù)機器人優(yōu)缺點

優(yōu)點

從患者角度：(1)手術(shù)操作更精確，與腹腔鏡(二維視覺)相比，因三維視覺可放大10-15倍，使手術(shù)精確度大大增加，術(shù)后恢復(fù)快，愈合好。(2)曲線較腹腔鏡短。(3)創(chuàng)傷更小，使微創(chuàng)手術(shù)指征擴大，減少術(shù)后疼痛，縮短住院時間，減少失血量，減少術(shù)中的組織創(chuàng)傷和炎性反應(yīng)導(dǎo)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，機器人“內(nèi)腕”較腹腔鏡更為靈活，能以不同角度在靶器官周圍操作，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

機器人做外科手術(shù)的成本比較高，每臺醫(yī)用機器人的最高成本200多萬美元。全世界僅有少數(shù)醫(yī)院可實施機器人手術(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(guī)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(tǒng)，中國大陸、臺灣和日本等也在加緊研制。

三個關(guān)鍵核心技術(shù)

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

機械手臂的腕部采用能夠提供7個自由度的EndoWrist技術(shù)，可以完成人手無法實現(xiàn)的動作，觸及范圍更廣。系統(tǒng)具有振動消除系統(tǒng)和動作定標系統(tǒng)，可保證機械臂在狹小的手術(shù)視野內(nèi)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(shù)切口也可以開得很小，從而縮短患者在手術(shù)后恢復(fù)的時間。同時還可以提高手術(shù)效率，節(jié)約費用。

三維影像平臺內(nèi)裝有外科手術(shù)機器人的核心處理器以及圖像處理設(shè)備，可由巡回護士操作。達芬奇手術(shù)系統(tǒng)的內(nèi)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，提供真實的16：9比例的全景三維圖像。

主控臺的設(shè)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(yī)生的疲勞感，保證長時間手術(shù)的正常進行，內(nèi)置的麥克風能夠讓手術(shù)中的溝通更加有效率。主刀醫(yī)生坐在控制臺中，位于手術(shù)無菌區(qū)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(tǒng)中的運動比例縮放功能將使醫(yī)生手部的自然顫抖或無意的移動減小到最小程度。

手術(shù)機器人系統(tǒng)的原理及關(guān)鍵技術(shù)

手術(shù)機器人系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖

大量的圖像處理技術(shù)、定位配準技術(shù)、自動化與控制技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了以上五個功能單元，而在眾多技術(shù)中以下三個技術(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(tǒng)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(shù)器械送達病灶點;二是按指令軌跡帶動手術(shù)器械運動完成操作任務(wù)?？刂朴嬎銠C在接收命令后根據(jù)規(guī)劃系統(tǒng)提供的軌跡參數(shù)生成機器人運動指令，該指令經(jīng)通信系統(tǒng)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(guī)劃手術(shù)方案的實施。在手術(shù)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。

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和手術(shù)路徑信息后，通過空間映射關(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(gòu)操作系統(tǒng)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(guān)系由遙操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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時獲得手術(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(dǎo)引或手術(shù)監(jiān)視系統(tǒng)。位姿信號從機器人控制器獲得，在監(jiān)視系統(tǒng)的三位患者模型上實時顯示出手術(shù)器械的位姿，提供手術(shù)時地可視化監(jiān)視功能?，F(xiàn)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)是近年來十分熱門的研究課題，它與控制理論、信號處理、人工智能、概率和統(tǒng)計相結(jié)合，為機器人在各種復(fù)雜、動態(tài)、不確定和未知的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)提供了一種技術(shù)解決途徑。

2、導(dǎo)航與定位

在機器人系統(tǒng)中，自主導(dǎo)航是一項核心技術(shù)，是機器人研究領(lǐng)域的重點和難點問題。

3、路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃技術(shù)是機器人研究領(lǐng)域的一個重要分支。最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個或某些優(yōu)化準則(如工作代價最小、行走路線最短、行走時間最短等)，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)、可以避開障礙物的最優(yōu)路徑。

4、機器人視覺

視覺系統(tǒng)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。機器人視覺系統(tǒng)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

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

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(fù)雜的智能機器人系統(tǒng)僅僅依靠計算機來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(yīng)能力而并不實用。智能機器人系統(tǒng)還不能完全排斥人的作用，而是需要借助人機協(xié)調(diào)來實現(xiàn)系統(tǒng)控制。因此，設(shè)計良好的人機接口就成為智能機器人研究的重點問題之一。

國內(nèi)手術(shù)機器人市場及現(xiàn)狀

在美國的一些一流醫(yī)院，機器人做微創(chuàng)手術(shù)的比例已經(jīng)超過全院外科手術(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(fù)非常快可以做到手術(shù)后24小時出院。2007至2013年間美國有170萬名病人進行了機器人手術(shù)。

目前在中國等新興市場，由于裝機數(shù)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(nèi)醫(yī)療機器人市場蘊含巨大潛力。2010-2014 年來全國醫(yī)療機構(gòu)床位量以及住院人數(shù)年復(fù)增長率分別達到 7.5%和 9.6%，同時我國已步入老年化社會，老年人口數(shù)量年復(fù)增長率達到 3.54%。此外我國因中風、外傷等導(dǎo)致喪失勞動力人口也在節(jié)節(jié)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，巨大的市場需求將推動醫(yī)療機器人市場在我國得到快速發(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(dǎo)致我國醫(yī)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(nèi)研究人員正在加緊研制各種手術(shù)機器人及其輔助設(shè)備、耗材。從長遠看，當前的手術(shù)機器人技術(shù)和市場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(yī)院與北京航天航空大學聯(lián)合開發(fā)的機器人系統(tǒng)CRAS(Computer and Robot Assisted Surgery，CRAS)是國內(nèi)手術(shù)機器人系統(tǒng)的先行者，已完成第五代的研制和臨床應(yīng)用。CRAS機器人系統(tǒng)選用PUMA260、262機器人作為系統(tǒng)輔助操作的執(zhí)行機構(gòu)。第一代機器人于1997年5月首次應(yīng)用于臨床。第二代1999年研制成功，實現(xiàn)了無框架立體定向手術(shù)。第五代機器人除了前四代機器人的特點外，自動定位功能更加先進，實現(xiàn)了視覺自動定位，使手術(shù)誤差更小，手術(shù)操作更加快捷安全。該系統(tǒng)能通過互聯(lián)網(wǎng)實施遠程操作手術(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用性方面還是有許多問題需要解決。

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(tǒng)”，由哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所研制成功，并通過國家“863”計劃專家組的驗收。據(jù)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(tǒng)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)，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(tǒng)的機械設(shè)計、主從控制算法、三維(3D)腹腔鏡與系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)上都進行了重要突破，并申請了多項國家發(fā)明專利。

2014年04月，中南大學湘雅三醫(yī)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(tǒng)首次運用于臨床。該手術(shù)機器人就是天津大學研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的微創(chuàng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)——“妙手S”。“妙手S”系統(tǒng)較國外同類產(chǎn)品有三點技術(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解耦設(shè)計技術(shù)，解決了運動耦合問題，固定、防滑、防松，更有利于精度保持。第二是實現(xiàn)了從操作手的可重構(gòu)布局原理與實現(xiàn)技術(shù)，使機器人的“胳膊”更輕，更適應(yīng)手術(shù)的需要。第三是運用系統(tǒng)異體同構(gòu)控制模型構(gòu)建技術(shù)，解決了立體視覺環(huán)境下手-眼-器械運動的一致性。據(jù)了解，“妙手S”外科手術(shù)機器人系統(tǒng)將有望3年內(nèi)投產(chǎn)。

圖：天津大學“妙手S”手術(shù)機器人