达芬奇手术机器人的来历,达芬奇手术机器的组成及功能

在一个小玻璃瓶内，一粒葡萄在接受机器人做手术。手术整个流程是由一台叫“达芬奇”的手术机器人完成的，它先是用自己的机械手撕开了一颗葡萄的表皮，后来又成功缝合了葡萄的“表皮”。葡萄的长度不到2.5厘米且非常脆弱，葡萄皮的厚度不到1毫米，在“达芬奇”缝完最后一针之后，葡萄基本上保持完美状态。

达芬奇外科手术系统是一种高级机器人平台，其设计的理念是通过使用微创的方法，实施复杂的外科手术。达芬奇系统是世界上仅有的、可以正式在腹腔手术中使用的机器人手术系统，也是目前最复杂和最昂贵的外科手术系统之一。

不过其实达芬奇机器人并不是我们一贯认为的具备人形以及人工智能深度学习等功能，严格来说达芬奇机器人是一种高级机器人平台，由外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统三部分组成。

从医学的角度来说，达芬奇机器人就是高级的腹腔镜系统。它在进行手术操作时也需要机械臂穿过胸部、腹壁等等，其设计的理念是通过使用微创的方法，实施复杂的外科手术。

达芬奇手术机器人的来历

达芬奇机器人的技术源于拥有官方背景的斯坦福研究院(SRI)，上世纪80年代末，一群科学家在斯坦福研究院开始了外科手术机器人的研发，初衷是要研制出适合战地手术的机器人。在后续的研究中，手术机器人引起了美国国防部的关注，他们对这种医生可以远程操作来对士兵进行手术的系统很感兴趣，很快这种兴趣变成了实际行动。1990年的时候项目组收到了美国国家卫生研究院的投资，希望他们能够尽快的研究出可供实际使用的原型。

在1994的时候Frederic Moll博士对这套系统非常感兴趣，他多次请求将“Lenny”(早期达芬奇机器人)商业化，以最大化它的价值。于是Frederic Moll和SRI经过多次协商后成功购买了关于Lenny机器人的知识产权。之后在1995年成立了Intuitive Surgical Devices Inc(直觉外科公司)。

美国直觉外科公司1996年推出第一代达芬奇机器人，2006年推出的第二代机器人机械手臂活动范围更大了，允许医生在不离开控制台的情况下进行多图观察。2009年推出了第三代机器人，相比第二代机器人，增加了双控制台、模拟控制器、术中荧光显影技术等功能。第四代机器人在2014年推出，灵活度、精准度、成像清晰度等方面有了质的提高，2014年下半年还开发了远程观察和指导系统。目前，达芬奇机器人已经发展到第五代。

达芬奇手术机器人是目前全球最成功及应用最广泛的手术机器人，广泛适用于普外科、泌尿科、心血管外科、胸外科、妇科、五官科、小儿外科等。达芬奇手术机器人在前列腺切除手术上应用最多，现在也已越来越多地应用于心脏瓣膜修复和妇科手术中。

达芬奇手术机器的组成及功能

达芬奇手术机器人主要由3个部分组成：外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统。

医生主控台

主控台按人体工程学原理设计，一般位于手术室无菌区之外，主刀医生坐着使用双手(通过操作两个主控制器)及脚(通过脚踏板)来控制器械和一个三维高清内窥镜。系统将医生的眼睛和手部自然延伸到患者身上，将医生的手、手腕和手指运动准确地翻译成手术器械的微细而精确的运动。手术器械尖端与外科医生的双手同步运动。

医生通过主控台的目镜看到的3D显示效果非常逼真，立体感和层次感非常好，能够获得准确的空间距离。支撑手臂的挡板上有个小LED显示屏，显示患者、术者、术式等基本信息。前方的就是操作杆了，手指套在上面进行操作，能同时控制两条臂，进行移动、切割、止血、缝合、打结等各种操作，灵敏程度不逊人手。接下来是下面的脚踏板，左边黑色的控制腹腔镜机械臂的移动。右边和普通电刀的脚踏板一样，黄色切割，蓝色止血。

从计算机专业角度看，达芬奇的主控制台就是把医生根据系统反馈的人体内部病灶状况及解剖图像所确立的手术方案及步骤解析为系统的系列动作。

移动平台

又叫病人侧推车，这是病人端机器人系统。侧推车具有4个固定于可移动基座的机械臂，底座通过线缆和高可靠性航空插头与控制台相连。中心机械臂是持镜臂，负责握持摄像机系统。其余机械臂是持械臂，负责握持特制外科手术器械。臂系统整车依靠具有自锁能力的脚轮支撑，可以实现手工移动;设有助力装置，在没有外部动力源的情况下，仍可提供5min左右的动力支持。每个机械臂具有一系列多位置关节和可旋转的末端关节与套管相连，这样在安装时易于摆位，并保证可达手术要求的运动空间。手工进行机械臂摆位时需要借助一个控制开关以放松全部关节，放开此开关则机械臂将重新锁定在当前位置。每一个机械臂上有一个单独的键作为末端可旋转关节的离合器，允进行快速更换。微器械的关节由连接到其端部四个轮子的线路系统控制，后端采用四个小轮将来自电机的运动传递给钢丝，进而带动各关节运动。位置刷新率接近1500Hz，因此可有效去除机械震颤。微器械尖端通过独特的机械设计实现6种自由度，可以通过活动器械本身提供第7种自由度(如切割或抓持)。器械具有可重复消毒的特性。

机器人手臂绕固定枢轴点移动，手术系统的安全检查可以防止仪器或机器人手臂的任何独立运动。外科医生控制Endowrist仪器，仪器设计有七种运动，比人类手腕的运动范围更大。每种仪器工具均作特定任务设计，如夹紧、切割、凝固、解剖、缝合及其对人体组织进行的相关操作。机械臂是系统的核心部件，看起来很像腹腔镜器械，通用有针持、抓钳、剪刀等不同的臂，位置可互换。与腹腔镜器械不同的是，每条臂都有很多小关节，手腕器械弯曲度和旋转度远远超出人的手，可以完成各种复杂到人手有时都无法完成的动作。

机器人手臂的特点：

1、手拥有7个自由度，具有人手无法企及的精确性。

2、可以过滤人手的抖动，使得手术可以更精细。

3、具有移动缩减功能的特点，也就是说医生在操纵这一装置的过程中，移动操作杆5毫米，在患者体内的机械末端仅移动1毫米，这样就大大提高了手术的精确性和安全性。

机器人的手术器械(instrument)

使用时插在病人端机器人上。机械臂是一种高值耗材，使用时临时安装到机器人上。这个器械上面安装了记忆芯片，每插在机器人上一次，芯片就会计数+1, 10次以后，10次后机器人就不能使用这个器械了。这种设计的一个目的是公司要赚耗材费，二是避免器械里面结构故障，造成手术危险。

手术器械末端具有3+1个自由度，加上3个位置自由度完全保证了在器械末端腹腔内部的6个运动自由度(空间中有6 个自由度);另外通过直觉控制避免了普通腹腔镜手术操作的反向操作，极大的提高了医生操作的能力和速度。

成像系统

成像系统(VideoCart)主要由三维内窥镜、摄像机及处理器、观察系统组成，分别位于持镜臂、成像系统和控制台上。内装有手术机器人的核心处理器以及图象处理设备。手术机器人的内窥镜为高分辨率三维(3D)镜头，对手术视野具有10倍以上的放大倍数，能为主刀医生带来患者体腔内三维立体高清影像，使主刀医生能够真实的感知和清晰地观察到手术部位的解剖结构，把握好操作距离，精准避开手术区域的血管和神经，将外科医生的手部运动转化为患者体内微小器械的较小、精确的运动，最大限度地保留患者器官和组织的生理功能。

放置于成像系统中的两台三晶片摄像机可以产生两个具有高清晰度和色彩还原性的高质量图像，并分别输出到控制台中的两台手术操作监视器。通过三维图像观察器，两路略带视差的图像分别被发送至术者的左右眼，从而形成高质量的三维图像。内窥镜照明采用高质量冷光源，使光线亮度达到最优，术者可以通过调整摄像机深度和角度来获得需要的观察区域和放大倍数。此外，成像系统上面还设置了外置观察监视器、二氧化碳充气机、光源及摄像机。外置监视器的信号来自两台摄像机中的一台，代表了左眼或者右眼的视觉。成像系统还包括两个图像同步器和一个聚焦控制器，以实现可控的高质量三维图像。

达芬奇手术机器人的工作流程

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，外科医生通过对主控装置将外科医生的动作翻译并传递给机械手臂，机械臂根据指令进行手术，成像系统将手术场景进行反馈。如此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，而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。由此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。

达芬奇手术机器人的关键核心技术

达芬奇手术机器人代表着当今手术机器人最高水平，它有三个关键核心技术：可自由运动的手臂腕部EndoWrist、3D高清影像技术、主控台的人机交互设计。

1、机械手臂的腕部采用能够提供7个自由度的EndoWrist技术，可以完成人手无法实现的动作，触及范围更广。系统具有振动消除系统和动作定标系统，可保证机械臂在狭小的手术视野内进行精确的操作。此外，机械臂还能完成一些人手无法完成的极为精细的动作，手术切口也可以开得很小，从而缩短患者在手术后恢复的时间。同时还可以提高手术效率，节约费用。

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，是其主要驱动。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。

达芬奇系统中使用了30多个电机。 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。

2、三维影像平台内装有外科手术机器人的核心处理器以及图像处理设备，可由巡回护士操作。达芬奇手术系统的内窥镜可以形成三维立体图像，手术视野图像被放大10~15倍，提供真实的16：9比例的全景三维图像。

3、主控台的设计充分考虑人机交互，提供了自然的手-眼位置，舒服的坐姿降低了手术医生的疲劳感，保证长时间手术的正常进行，内置的麦克风能够让手术中的沟通更加有效率。主刀医生坐在控制台中，位于手术无菌区之外，使用双手控制两个主控制器，使用脚控制脚踏板。控制系统中的运动比例缩放功能将使医生手部的自然颤抖或无意的移动减小到最小程度。

以上关键技术中又以下列技术模块最为核心

1、机器人控制技术：机器人是手术机器人系统的核心，它的作用有两个：一是按命令轨迹运动将安装在其末端的手术器械送达病灶点;二是按指令轨迹带动手术器械运动完成操作任务。控制计算机在接收命令后根据规划系统提供的轨迹参数生成机器人运动指令，该指令经通信系统发送给机器人的控制器，机器人在该指令控制下完成指定的操作。机器人的灵巧操作空间必须覆盖手术的操作空间，以保证规划手术方案的实施。在手术的路径选取时，有时要求避开一些人体的重要组织，要求机器人具有冗余特性，即机器人具有一定的避障能力。

2、配准与空间映射技术：空间映射是一系列坐标系间的变换关系，可以用齐次变换矩阵表示。当在图像空间获得目标靶点和手术路径信息后，通过空间映射关系可以在机器人操作空间中获得它们的描述。在主从异构操作系统中，还存在一个由主机操作空间到从机操作空间的映射变换，该映射关系由遥操作系统的结构和控制策略决定。

3、手术器械的位姿跟踪：手术器械的位姿跟踪是采用某种方法实时获得手术器械在某一已知空间中的位姿。该位姿信息和已知的手术器械尺寸信息，可用于导引或手术监视系统。位姿信号从机器人控制器获得，在监视系统的三位患者模型上实时显示出手术器械的位姿，提供手术时地可视化监视功能。现代手术机器人一般采用光电式方法获得位姿信息。

达芬奇手术机器人的优势和不足

优势

1.在腔镜手术基础上更加发挥腔镜的优势，去除使用腔镜的劣势;

2.加入计算机的技术可提高手术的操控性、精确性和稳定性;

3.向术者提供了高清晰度三维图像并将手术野放大了10—20倍;

4.创新的腕部可自由活动的镜下手术器械可使镜下手术器械完全重现人手动作从而达到手眼协调;

5.系统设计可排除主刀医生可能的手的颤抖对手术所造成的不利影响;

6.与开放手术的视觉一致使操作者手眼协调从而加快了医生学习进程;

7.为患者带来更理想的手术结果，减少围手术期后遗症以及并发症的发生;

8.创伤小、恢复快而使可接受手术的患者年龄范围扩大并使某些危重病人接受手术成为可能;

不足

1、自身仍存在着一定的缺陷

触觉反馈体系的缺失;手术机器人的器械臂固定以后，其操作范围受限;整套设备的体积过于庞大，安装、调试比较复杂;系统的技术复杂，在使用过程中可能发生各种机械故障，如半路死机等;系统的学习曲线较长，医生与系统的配合需要长时间的磨合;手术前的准备及手术中更换器械等操作耗时较长等。

2、使用成本昂贵

①购置费用高，目前国内第三代四臂达芬奇手术机器人的总体购置费用在2000万以上。

②二是手术成本高，机器人手术中专用的操作器械每用10次就需强制性更换，而更换一个操作器械需花费约2000美元。

③三是维修费用高，手术机器人需定期进行预防性维修，每年维修保养费用也是一笔不小的开支。造成机器人手术使用成本高的原因通常被认为是其生产商通过收购竞争对手和专利保护等手段在这一领域形成了垄断所致，而这也成为制约手术机器人进一步发展的一个重要原因。