克服手动限制的外科手术机器人系统

　　腹腔镜手术是一类外科手术，在手术过程中将一个长柄器械通过小切口插入患者体内需要动手术的目标部位。与传统的开放式手术相比，腹腔镜手术能缩短恢复时间、痛苦小、粘连少，使病人在术后能拥有更好的生活质量。但是，手动腹腔镜手术存在很多局限，包括不能感知深度、对相机的控制不强、仪器尖端能自由转动的角度和空间有限、医生手术器械能活动的幅度也受局限。这些局限会导致外科医生在手术过程中要忍受不自然和痛苦的手术姿势，从而容易疲劳。

　　机器人辅助腹腔镜手术，如达芬奇系统，能让外科医生坐镇立体声控制台通过患者床边的机器手臂实现对内窥镜手术器械的远程控制。达芬奇系统由三个部分组成：外科医生主控制台、病人床边用于放置手术器械的手术推车和成像处理设备。该系统的三维可视化功能可提供深度感知，而其类似手腕状关节的微型化手术器械提高了外科医生的灵活度和运动范围。该系统还通过减少手的抖动和把外科医生的动作经系统处理之后按比例提供给机械手臂来加强（对手术精度的）控制。相比医生手动的腹腔镜手术，符合人体工程学的仪表-手-眼结合和直观的器械动作还可以缩短外科医生的训练时间。

　　图中所示的达芬奇高清外科手术系统(da Vinci Si HD Surgical System)配置有两个外科医生主控制台、一台病人手术推车和一台用于放置显示手术过程成像设备推车。

　　达芬奇机器人手术系统以麻省理工学院（原名斯坦福研究学院）研发的机器人外科手术技术为基础。Intuitive Surgical随后与IBM、麻省理工学院和Heartport公司联手对该系统进行了进一步开发。 FDA已经批准将达芬奇机器人手术系统用于成人和儿童的普通外科、胸外科、泌尿外科、妇产科、头颈外科以及心脏手术。

　　达芬奇机器人

　　达芬奇外科手术系统要求在病人身体开多达五个小型（小于1厘米）的切口，用于插入两个手术机械手臂和一个摄像头。放置在病人床边的配套推车将手术器械移动到病人身边，病人床边会有外科手术助手在。与此同时，医生可以坐到房间的控制台来操作系统，外科医生的所见和感受与开放式手术是相同的。外科医生通过对主控装置（用于将外科医生的动作翻译并传递给机械手臂）进行操纵来进行手术。外科医生用手抓住显示屏下方的主控装置，手腕相对其眼睛自然地动作。外科医生的对主控装置的动作被转换成在患者体内进行的精确的、实时的机器手臂动作。

　　通过外科医生的手腕、手和手指的运动来控制主刀的机器手臂，这和典型的开放式手术是一样的。此外，该系统还有一系列全套的EndoWrist手术器械可供选择。这些手术器械可以做7度角的旋转，超出了人类手腕的灵巧度。每一类手术器械都有特定的作用，如用于夹紧，缝合手术和组织处理。

　　病人旁边的推车用于容纳两个机器人手臂和一个内窥镜手臂，它们用来复制外科医生的动作。腹腔镜手臂以手术部位作为支枢，不用依靠患者的体腔壁来做支撑，这样就将把对组织和神经的损伤降到了最低程度。外科医生的助手们安全好合适的手术器械，在患者身上准备合适的切口，并监管腹腔镜机械手臂和正在使用的工具。

　　在上面的图片中，EndoWrist制动器正在进行缝合操作。在下面的图片中，外科医生正在对主控制台的主控装置进行操作以引导EndoWrist制动器。

　　制动设计

　　达芬奇手术系统集成了高端运动控制技术，这样机器手臂的每个动作都能像熟练的外科医生一样顺畅、准确---即便在很慢的计算速度下。每个达芬奇HD系统包含有30多个由马克森精密电机公司生产的电机。这些电机是每个机械手臂的心脏。

　　马克森电动机为达芬奇系统提供输入和输出。通过一系列反馈控制，电机和编码器接收了来自医生的输入信号，在经过主控制台电路进行实时翻译后，将输出信号传送给机器手臂中的电机。机械手随之通过主控制台电路将力反向施加至外科医生的手中。

　　马克森电机的定子采用的是稀土磁铁，其定子采用的是无铁设计，这样即便在低速运行的情况下也不会有磁性齿槽存在。

　　为区分它们的双重角色，将外科医生的床旁推车所用的电机作为主控电机，机械手臂电机所用电机作为从属电机。从属电机的精度和主控电机的精度相同，并且还需要能在外科医生助手移动末端执行器就位时后向驱动。手术器械顶部的电机具有低迟滞性。

　　Intuitive公司的工程师们在达芬奇系统中使用了30多个电机。有RE25电机，有些带有编码器反馈，有些电机没带编码器反馈；配置有GP13系列减速器和13毫米磁性编码器的RE 13 mm电机；以及带第三方编码器的RE 35系列电机。

　　Intuitive Surgical公司总经理兼制造工程师Mike Prindiville表示，马克森电动机是达芬奇系统核心性能特性试验的关键，这些核心性能特性测试包括摩擦、间隙和兼容情况，以及一系列传感器反馈监测。

　　基于软件的培训

　　虽然机器人辅助、微创手术开始流行，但培训机会相对有限。因为要能够熟练地操作像达芬奇系统这样复杂的工具必须有综合性的实践和经验， 所以开发机器人手术培训辅导工具对满足机器人外科手术训练这一需求至关重要。

　　生物机械学）实验室的Nebraska Biomechanics Core Facility（内布拉斯加生物力学核心设施），在奥马哈内布拉斯加大学医疗中心的Robotic Surgical实验室，有一群博士学生在此展开工作，旨在开发出一款面向机器人外科医生的计算机培训项目，新手外科医生可以在这学会如何使用这项先进技术。

手术系统的内窥镜装置

　　用于达芬奇机器人

　　研发人员已经用National Instruments的LabVIEW图形化编程软件开发了两款训练平台。第一款训练平台设计用于监测和记录外科医生在某个训练项目时的表现，并确保外科医生采用了正确的动作来完成手术。该训练平台还结合了实时的视觉反馈，用于显示告诉学员对训练任务或动画组织施加了多大的力。这种视觉反馈有助于学员在手术过程中减少对患者组织的损伤。

　　LabVIEW还被用于打造一款虚拟现实的机器人手术训练工作环境。这个训练平台通过以太网来收集数据和调整虚拟仿真器中的训练任务，对进行研究提供了灵活性。虚拟机器人外科手术训练允许多名外科医生同时使用软件而非实际的医疗设备进行训练。这一过程为初出茅庐的外科医生学习机器人外科手术提供了以问题为导向的训练协议。

　　达芬奇机器人手术系统内所有的通信数据经TCP / IP进行采集，使用NI公司的USB - 6009数据采集卡连接到肌电系统和电测角计。这些连接采集来自外科医生的生理测定，如肌肉激活和关节弯度。利用这些数据，研究人员和医疗人员能在机器人外科手术训练协议之前和之后客观地评价手术的熟练程度。