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全球最先进的达芬奇手术机器人技术解析

作者:时间:2018-08-06来源:网络收藏

的前世今生

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/385457.htm

其实,更正式的名称是“内窥镜手术器械控制系统”,由总部位于美国加利福尼亚州阳光谷1995年成立的直觉手术公司(Intuitive Surgical) 自行设计、生产及销售。

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,当时他在SRI主任Guidant手下工作,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,然而当时鲜有人看到这一点,大家都在忙着如何将它变得更酷一点。

于是Frederic Moll叫上刚从Acoson公司辞职的John Freund,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),他们一开始就引入了风险投资,投资者包括菲尔德基金、塞拉利昂资本和摩根斯坦利。


达芬奇机器人1996年推出了第一代,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年在第二代机器人的基础上增加了双控制台、模拟控制器、术中荧光显影技术等功能,进而推出了第三代机器人。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,公司在2014年下半年还开发了远程观察和指导系统。

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。

工作方式及特点

达芬奇手术机器人主要由3个部分组成:1、医生控制系统;2、三维成像视频影像平台;3、机械臂,摄像臂和手术器械组成移动平台。实施手术时主刀医师不与病人直接接触,通过三维视觉系统和动作定标系统操作控制,由机械臂以及手术器械模拟完成医生的技术动作和手术操作。


工作方式:


外科医生控制台:主刀医生坐在控制台中,位于手术室无菌区之外,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。正如在立体目镜中看到的那样,手术器械尖端与外科医生的双手同步运动。

床旁机械臂系统:床旁机械臂系统(Patient Cart)是外科手术机器人的操作部件,其主要功能是为器械臂和摄像臂提供支撑。助手医生在无菌区内的床旁机械臂系统边工作,负责更换器械和内窥镜,协助主刀医生完成手术。为了确保患者安全,助手医生比主刀医生对于床旁机械臂系统的运动具有更高优先控制权。


成像系统:成像系统(Video Cart)内装有外科手术机器人的核心处理器以及图象处理设备,在手术过程中位于无菌区外,可由巡回护士操作,并可放置各类辅助手术设备。外科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,使主刀医生较普通腹腔镜手术更能把握操作距离,更能辨认解剖结构,提升了手术精确度。

达芬奇手术机器人优缺点

优点

从患者角度:(1)手术操作更精确,与腹腔镜(二维视觉)相比,因三维视觉可放大10-15倍,使手术精确度大大增加,术后恢复快,愈合好。(2)曲线较腹腔镜短。(3)创伤更小,使微创手术指征扩大,减少术后疼痛,缩短住院时间,减少失血量,减少术中的组织创伤和炎性反应导致的术后粘连,增加美容效果,更快投入工作。(4)术中对机体损伤大大减小。

从术者角度:增加视野角度,减少手部颤动,机器人“内腕”较腹腔镜更为灵活,能以不同角度在靶器官周围操作,能够在有限狭窄空间工作;使术者在轻松工作环境工作,减少疲劳更集中精力;减少参加手术人员,提高效率,降低人力成本。

缺点

机器人做外科手术的成本比较高,每台医用机器人的最高成本200多万美元。全世界仅有少数医院可实施机器人手术,因此使机器人手术的成本不能大幅度降低。因此,手术费用明显比常规手术要高。

目前在中国批准上市的只有美国生产的达芬奇机器人手术系统,中国大陆、台湾和日本等也在加紧研制。

三个关键核心技术


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。

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。

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。

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。

手术机器人系统的原理及关键技术


手术机器人系统典型结构示意图

大量的图像处理技术、定位配准技术、自动化与控制技术的应用实现了以上五个功能单元,而在众多技术中以下三个技术模块是最为关键:

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。

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。

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。

智能机器人关键技术

1、多传感器信息融合

多传感器信息融合技术是近年来十分热门的研究课题,它与控制理论、信号处理、人工智能、概率和统计相结合,为机器人在各种复杂、动态、不确定和未知的环境中执行任务提供了一种技术解决途径。

2、导航与定位

在机器人系统中,自主导航是一项核心技术,是机器人研究领域的重点和难点问题。

3、路径规划

路径规划技术是机器人研究领域的一个重要分支。最优路径规划就是依据某个或某些优化准则(如工作代价最小、行走路线最短、行走时间最短等),在机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径。

4、机器人视觉

视觉系统是自主机器人的重要组成部分,一般由摄像机、图像采集卡和计算机组成。机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的处理和分析、输出和显示,核

心任务是特征提取、图像分割和图像辨识。

5、智能控制

随着机器人技术的发展,对于无法精确解析建模的物理对象以及信息不足的病态过程,传统控制理论暴露出缺点,近年来许多学者提出了各种不同的机器人智能控制系统。

6、人机接口技术

智能机器人的研究目标并不是完全取代人,复杂的智能机器人系统仅仅依靠计算机来控制目前是有一定困难的,即使可以做到,也由于缺乏对环境的适应能力而并不实用。智能机器人系统还不能完全排斥人的作用,而是需要借助人机协调来实现系统控制。因此,设计良好的人机接口就成为智能机器人研究的重点问题之一。

国内手术机器人市场及现状

在美国的一些一流医院,机器人做微创手术的比例已经超过全院外科手术的50%,很多接受达芬奇手术的病人,因为伤口小,损伤小,恢复非常快可以做到手术后24小时出院。2007至2013年间美国有170万名病人进行了机器人手术。

目前在中国等新兴市场,由于装机数量的局限,手术渗透率还很低,截至2015年12月,分布在全国各地的几十台“达芬奇手术机器人”在去年共完成手术11445例,历年总计完成手术22917例。

国内医疗机器人市场蕴含巨大潜力。2010-2014 年来全国医疗机构床位量以及住院人数年复增长率分别达到 7.5%和 9.6%,同时我国已步入老年化社会,老年人口数量年复增长率达到 3.54%。此外我国因中风、外伤等导致丧失劳动力人口也在节节攀升。这些人群对微创、高效、优质的临床服务需求增加,巨大的市场需求将推动医疗机器人市场在我国得到快速发展。

由于目前外科手术机器人生产商的技术和市场垄断,使得手术机器人的购置费用高、手术成本高、维护费用高。这就直接导致我国医院手术机器人的普及率远低于欧美,也不及亚洲日、韩等近邻。目前,国内研究人员正在加紧研制各种手术机器人及其辅助设备、耗材。从长远看,当前的手术机器人技术和市场的垄断地位可能被打破,手术机器人使用成本的下降是必然趋势。

海军总医院与北京航天航空大学联合开发的机器人系统CRAS(Computer and Robot Assisted Surgery,CRAS)是国内手术机器人系统的先行者,已完成第五代的研制和临床应用。CRAS机器人系统选用PUMA260、262机器人作为系统辅助操作的执行机构。第一代机器人于1997年5月首次应用于临床。第二代1999年研制成功,实现了无框架立体定向手术。第五代机器人除了前四代机器人的特点外,自动定位功能更加先进,实现了视觉自动定位,使手术误差更小,手术操作更加快捷安全。该系统能通过互联网实施远程操作手术。2005年12月12日,在北京与延安之间利用互联网成功进行了2例立体定向手术。虽然如此,CARS手术机器人在扩大适用范围和实用性方面还是有许多问题需要解决。

2013年11月,国家“863”计划资助项目——“微创腹腔外科手术机器人系统”,由哈尔滨工业大学机器人研究所研制成功,并通过国家“863”计划专家组的验收。据哈工大机器人研究所的研发人员介绍,国产微创腹腔外科手术机器人系统具有我国自主知识产权,研究人员针对微创外科手术的多种术式,在手术机器人系统的机械设计、主从控制算法、三维(3D)腹腔镜与系统集成等关键技术上都进行了重要突破,并申请了多项国家发明专利。

2014年04月,中南大学湘雅三医院顺利完成了3例国产机器人手术,这是我国自主研制的手术机器人系统首次运用于临床。该手术机器人就是天津大学研发的具有自主知识产权的微创外科手术机器人系统——“妙手S”。“妙手S”系统较国外同类产品有三点技术优势,第一是运用了微创手术器械多自由度丝传动解耦设计技术,解决了运动耦合问题,固定、防滑、防松,更有利于精度保持。第二是实现了从操作手的可重构布局原理与实现技术,使机器人的“胳膊”更轻,更适应手术的需要。第三是运用系统异体同构控制模型构建技术,解决了立体视觉环境下手-眼-器械运动的一致性。据了解,“妙手S”外科手术机器人系统将有望3年内投产。


图:天津大学“妙手S”手术机器人



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