克服手動限制的外科手術(shù)機器人系統(tǒng)

手術(shù)是一類外科手術(shù)，在手術(shù)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(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，手動腹腔鏡手術(shù)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(zhuǎn)動的角度和空間有限、醫(yī)生手術(shù)器械能活動的幅度也受局限。這些局限會導(dǎo)致外科醫(yī)生在手術(shù)過程中要忍受不自然和痛苦的手術(shù)姿勢，從而容易疲勞。

機器人輔助腹腔鏡手術(shù)，如系統(tǒng)，能讓外科醫(yī)生坐鎮(zhèn)立體聲控制臺通過患者床邊的機器手臂實現(xiàn)對內(nèi)窺鏡手術(shù)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(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(shù)精度的）控制。相比醫(yī)生手動的腹腔鏡手術(shù)，符合人體工程學(xué)的儀表-手-眼結(jié)合和直觀的器械動作還可以縮短外科醫(yī)生的訓(xùn)練時間。

圖中所示的達芬奇高清外科手術(shù)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(shù)推車和一臺用于放置顯示手術(shù)過程成像設(shè)備推車。

達芬奇機器人手術(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(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)。

達芬奇機器人

達芬奇外科手術(shù)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(shù)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(shù)器械移動到病人身邊，病人床邊會有外科手術(shù)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(shù)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(shù)。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(zhuǎn)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(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機器人手臂和一個內(nèi)窺鏡手臂，它們用來復(fù)制外科醫(yī)生的動作。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(shù)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(dǎo)EndoWrist制動器。

制動設(shè)計

達芬奇手術(shù)系統(tǒng)集成了高端運動控制技術(shù)，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(shè)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(qū)動。手術(shù)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(guān)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(xùn)

雖然機器人輔助、微創(chuàng)手術(shù)開始流行，但培訓(xùn)機會相對有限。因為要能夠熟練地操作像系統(tǒng)這樣復(fù)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(shù)培訓(xùn)輔導(dǎo)工具對滿足機器人外科手術(shù)訓(xùn)練這一需求至關(guān)重要。

生物機械學(xué)）實驗室的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實驗室，有一群博士學(xué)生在此展開工作，旨在開發(fā)出一款面向機器人外科醫(yī)生的計算機培訓(xùn)項目，新手外科醫(yī)生可以在這學(xué)會如何使用這項先進技術(shù)。

手術(shù)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(xùn)練平臺。第一款訓(xùn)練平臺設(shè)計用于監(jiān)測和記錄外科醫(yī)生在某個訓(xùn)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(shù)。該訓(xùn)練平臺還結(jié)合了實時的視覺反饋，用于顯示告訴學(xué)員對訓(xùn)練任務(wù)或動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(shù)訓(xùn)練工作環(huán)境。這個訓(xùn)練平臺通過以太網(wǎng)來收集數(shù)據(jù)和調(diào)整虛擬仿真器中的訓(xùn)練任務(wù)，對進行研究提供了靈活性。虛擬機器人外科手術(shù)訓(xùn)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(shè)備進行訓(xùn)練。這一過程為初出茅廬的外科醫(yī)生學(xué)習(xí)機器人外科手術(shù)提供了以問題為導(dǎo)向的訓(xùn)練協(xié)議。

達芬奇機器人手術(shù)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(guān)節(jié)彎度。利用這些數(shù)據(jù)，研究人員和醫(yī)療人員能在機器人外科手術(shù)訓(xùn)練協(xié)議之前和之后客觀地評價手術(shù)的熟練程度。