達(dá)芬奇（da Vinci）不是意大利文藝復(fù)興時(shí)期偉大的藝術(shù)家嗎，與目前全球應(yīng)用最廣泛的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人（Da Vinci robot-assisted Surgical System）有何關(guān)系,？據(jù)說(shuō),，手術(shù)機(jī)器人“達(dá)芬奇”是以500年前達(dá)·芬奇在圖紙上畫(huà)的機(jī)器人雛形為原型設(shè)計(jì)的用于醫(yī)學(xué)手術(shù)的機(jī)器人，并以“達(dá)芬奇”的名字命名,。

　　達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的前世今生

　　其實(shí),，達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)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(guó)加利福尼亞州陽(yáng)光谷1995年成立的直覺(jué)手術(shù)機(jī)器人公司（Intuitive Surgical） 自行設(shè)計(jì),、生產(chǎn)及銷售,。

　　達(dá)芬奇機(jī)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(jì)80年代末,，一群科學(xué)家在斯坦福研究院開(kāi)始了外科手術(shù)機(jī)器人的研發(fā),，初衷是要研制出適合戰(zhàn)地手術(shù)的機(jī)器人,。在后續(xù)的研究中，手術(shù)機(jī)器人引起了美國(guó)國(guó)防部的關(guān)注,，他們對(duì)這種醫(yī)生可以遠(yuǎn)程操作來(lái)對(duì)士兵進(jìn)行手術(shù)的系統(tǒng)很感興趣,，很快這種興趣變成了實(shí)際行動(dòng)。1990年的時(shí)候項(xiàng)目組收到了美國(guó)國(guó)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(shí)際使用的原型,。

　　在1994的時(shí)候Frederic Moll博士對(duì)這套系統(tǒng)非常感興趣，當(dāng)時(shí)他在SRI主任Guidant手下工作,，他多次請(qǐng)求將“Lenny”（早期達(dá)芬奇機(jī)器人）商業(yè)化,，以最大化它的價(jià)值，然而當(dāng)時(shí)鮮有人看到這一點(diǎn),，大家都在忙著如何將它變得更酷一點(diǎn),。

　　于是Frederic Moll叫上剛從Acoson公司辭職的John Freund，和SRI經(jīng)過(guò)多次協(xié)商后成功購(gòu)買了關(guān)于Lenny機(jī)器人的知識(shí)產(chǎn)權(quán),。之后在1995年成立了Intuitive Surgical Devices Inc（直覺(jué)外科公司）,，他們一開(kāi)始就引入了風(fēng)險(xiǎn)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(dá)芬奇機(jī)器人1996年推出了第一代,，2006年推出的第二代機(jī)器人機(jī)械手臂活動(dòng)范圍更大了,，允許醫(yī)生在不離開(kāi)控制臺(tái)的情況下進(jìn)行多圖觀察。2009年在第二代機(jī)器人的基礎(chǔ)上增加了雙控制臺(tái),、模擬控制器,、術(shù)中熒光顯影技術(shù)等功能，進(jìn)而推出了第三代機(jī)器人,。第四代機(jī)器人在2014年推出,，靈活度、精準(zhǔn)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(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程觀察和指導(dǎo)系統(tǒng)。

　　達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人是目前全球最成功及應(yīng)用最廣泛的手術(shù)機(jī)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(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人在前列腺切除手術(shù)上應(yīng)用最多,，現(xiàn)在也已越來(lái)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(diǎn)

　　達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人主要由3個(gè)部分組成：1,、醫(yī)生控制系統(tǒng),；2、三維成像視頻影像平臺(tái),；3,、機(jī)械臂，攝像臂和手術(shù)器械組成移動(dòng)平臺(tái),。實(shí)施手術(shù)時(shí)主刀醫(yī)師不與病人直接接觸,，通過(guò)三維視覺(jué)系統(tǒng)和動(dòng)作定標(biāo)系統(tǒng)操作控制，由機(jī)械臂以及手術(shù)器械模擬完成醫(yī)生的技術(shù)動(dòng)作和手術(shù)操作,。

　　工作方式：

　　外科醫(yī)生控制臺(tái)：主刀醫(yī)生坐在控制臺(tái)中,，位于手術(shù)室無(wú)菌區(qū)之外，使用雙手（通過(guò)操作兩個(gè)主控制器）及腳（通過(guò)腳踏板）來(lái)控制器械和一個(gè)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(yùn)動(dòng)。

　　床旁機(jī)械臂系統(tǒng)：床旁機(jī)械臂系統(tǒng)（Patient Cart）是外科手術(shù)機(jī)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(wú)菌區(qū)內(nèi)的床旁機(jī)械臂系統(tǒng)邊工作，負(fù)責(zé)更換器械和內(nèi)窺鏡,，協(xié)助主刀醫(yī)生完成手術(shù),。為了確保患者安全,，助手醫(yī)生比主刀醫(yī)生對(duì)于床旁機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的核心處理器以及圖象處理設(shè)備，在手術(shù)過(guò)程中位于無(wú)菌區(qū)外,，可由巡回護(hù)士操作,，并可放置各類輔助手術(shù)設(shè)備。外科手術(shù)機(jī)器人的內(nèi)窺鏡為高分辨率三維（3D）鏡頭,，對(duì)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(lái)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(rèn)解剖結(jié)構(gòu),，提升了手術(shù)精確度。

　　達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)

　　從患者角度：（1）手術(shù)操作更精確,，與腹腔鏡（二維視覺(jué)）相比,，因三維視覺(jué)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(kuò)大,，減少術(shù)后疼痛，縮短住院時(shí)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(duì)機(jī)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(dòng),，機(jī)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(diǎn)

　　機(jī)器人做外科手術(shù)的成本比較高,，每臺(tái)醫(yī)用機(jī)器人的最高成本200多萬(wàn)美元。全世界僅有少數(shù)醫(yī)院可實(shí)施機(jī)器人手術(shù),，因此使機(jī)器人手術(shù)的成本不能大幅度降低。因此,，手術(shù)費(fèi)用明顯比常規(guī)手術(shù)要高,。

　　目前在中國(guó)批準(zhǔn)上市的只有美國(guó)生產(chǎn)的達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，中國(guó)大陸,、臺(tái)灣和日本等也在加緊研制,。

　　三個(gè)關(guān)鍵核心技術(shù)
 

　　達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人代表著當(dāng)今手術(shù)機(jī)器人最高水平，它有三個(gè)關(guān)鍵核心技術(shù)：可自由運(yùn)動(dòng)的手臂腕部EndoWrist,、3D高清影像技術(shù),、主控臺(tái)的人機(jī)交互設(shè)計(jì)。

　　機(jī)械手臂的腕部采用能夠提供7個(gè)自由度的EndoWrist技術(shù),，可以完成人手無(wú)法實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作,，觸及范圍更廣。系統(tǒng)具有振動(dòng)消除系統(tǒng)和動(dòng)作定標(biāo)系統(tǒng)，可保證機(jī)械臂在狹小的手術(shù)視野內(nèi)進(jìn)行精確的操作,。此外,，機(jī)械臂還能完成一些人手無(wú)法完成的極為精細(xì)的動(dòng)作，手術(shù)切口也可以開(kāi)得很小,，從而縮短患者在手術(shù)后恢復(fù)的時(shí)間,。同時(shí)還可以提高手術(shù)效率，節(jié)約費(fèi)用,。

　　三維影像平臺(tái)內(nèi)裝有外科手術(shù)機(jī)器人的核心處理器以及圖像處理設(shè)備,，可由巡回護(hù)士操作。達(dá)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(shí)的16：9比例的全景三維圖像。

　　主控臺(tái)的設(shè)計(jì)充分考慮人機(jī)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(zhǎng)時(shí)間手術(shù)的正常進(jìn)行,，內(nèi)置的麥克風(fēng)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(tái)中，位于手術(shù)無(wú)菌區(qū)之外,，使用雙手控制兩個(gè)主控制器,，使用腳控制腳踏板?？刂葡到y(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)比例縮放功能將使醫(yī)生手部的自然顫抖或無(wú)意的移動(dòng)減小到最小程度,。

　　手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的原理及關(guān)鍵技術(shù)

　　手術(shù)機(jī)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(zhǔn)技術(shù),、自動(dòng)化與控制技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了以上五個(gè)功能單元,，而在眾多技術(shù)中以下三個(gè)技術(shù)模塊是最為關(guān)鍵：

　　機(jī)器人控制技術(shù)：機(jī)器人是手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的核心，它的作用有兩個(gè)：一是按命令軌跡運(yùn)動(dòng)將安裝在其末端的手術(shù)器械送達(dá)病灶點(diǎn),；二是按指令軌跡帶動(dòng)手術(shù)器械運(yùn)動(dòng)完成操作任務(wù),。控制計(jì)算機(jī)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令,，該指令經(jīng)通信系統(tǒng)發(fā)送給機(jī)器人的控制器,，機(jī)器人在該指令控制下完成指定的操作。機(jī)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(shí)施,。在手術(shù)的路徑選取時(shí)，有時(shí)要求避開(kāi)一些人體的重要組織,，要求機(jī)器人具有冗余特性,，即機(jī)器人具有一定的避障能力,。

　　配準(zhǔn)與空間映射技術(shù)：空間映射是一系列坐標(biāo)系間的變換關(guān)系，可以用齊次變換矩陣表示,。當(dāng)在圖像空間獲得目標(biāo)靶點(diǎn)和手術(shù)路徑信息后,，通過(guò)空間映射關(guān)系可以在機(jī)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(gè)由主機(jī)操作空間到從機(jī)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(shí)時(shí)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(hào)從機(jī)器人控制器獲得,，在監(jiān)視系統(tǒng)的三位患者模型上實(shí)時(shí)顯示出手術(shù)器械的位姿,，提供手術(shù)時(shí)地可視化監(jiān)視功能。現(xiàn)代手術(shù)機(jī)器人一般采用光電式方法獲得位姿信息,。

　　智能機(jī)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(lái)十分熱門(mén)的研究課題，它與控制理論,、信號(hào)處理,、人工智能、概率和統(tǒng)計(jì)相結(jié)合,，為機(jī)器人在各種復(fù)雜,、動(dòng)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(jī)器人系統(tǒng)中，自主導(dǎo)航是一項(xiàng)核心技術(shù),，是機(jī)器人研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題,。

　　3、路徑規(guī)劃

　　路徑規(guī)劃技術(shù)是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,。最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則（如工作代價(jià)最小,、行走路線最短、行走時(shí)間最短等）,，在機(jī)器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)、可以避開(kāi)障礙物的最優(yōu)路徑,。

　　4,、機(jī)器人視覺(jué)

　　視覺(jué)系統(tǒng)是自主機(jī)器人的重要組成部分，一般由攝像機(jī),、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成,。機(jī)器人視覺(jué)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(shí)。

　　5,、智能控制

　　隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,，對(duì)于無(wú)法精確解析建模的物理對(duì)象以及信息不足的病態(tài)過(guò)程，傳統(tǒng)控制理論暴露出缺點(diǎn),，近年來(lái)許多學(xué)者提出了各種不同的機(jī)器人智能控制系統(tǒng),。

　　6、人機(jī)接口技術(shù)

　　智能機(jī)器人的研究目標(biāo)并不是完全取代人,，復(fù)雜的智能機(jī)器人系統(tǒng)僅僅依靠計(jì)算機(jī)來(lái)控制目前是有一定困難的,，即使可以做到，也由于缺乏對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力而并不實(shí)用,。智能機(jī)器人系統(tǒng)還不能完全排斥人的作用,，而是需要借助人機(jī)協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。因此,，設(shè)計(jì)良好的人機(jī)接口就成為智能機(jī)器人研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一,。

　　國(guó)內(nèi)手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)及現(xiàn)狀

　　在美國(guó)的一些一流醫(yī)院，機(jī)器人做微創(chuàng)手術(shù)的比例已經(jīng)超過(guò)全院外科手術(shù)的50%,，很多接受達(dá)芬奇手術(shù)的病人,，因?yàn)閭谛。瑩p傷小,，恢復(fù)非?？炜梢宰龅绞中g(shù)后24小時(shí)出院。2007至2013年間美國(guó)有170萬(wàn)名病人進(jìn)行了機(jī)器人手術(shù),。

　　目前在中國(guó)等新興市場(chǎng),，由于裝機(jī)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(guó)各地的幾十臺(tái)“達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人”在去年共完成手術(shù)11445例，歷年總計(jì)完成手術(shù)22917例,。

　　國(guó)內(nèi)醫(yī)療機(jī)器人市場(chǎng)蘊(yùn)含巨大潛力,。2010-2014 年來(lái)全國(guó)醫(yī)療機(jī)構(gòu)床位量以及住院人數(shù)年復(fù)增長(zhǎng)率分別達(dá)到 7.5%和 9.6%，同時(shí)我國(guó)已步入老年化社會(huì),，老年人口數(shù)量年復(fù)增長(zhǎng)率達(dá)到 3.54%,。此外我國(guó)因中風(fēng)、外傷等導(dǎo)致喪失勞動(dòng)力人口也在節(jié)節(jié)攀升,。這些人群對(duì)微創(chuàng),、高效,、優(yōu)質(zhì)的臨床服務(wù)需求增加，巨大的市場(chǎng)需求將推動(dòng)醫(yī)療機(jī)器人市場(chǎng)在我國(guó)得到快速發(fā)展,。

　　由于目前外科手術(shù)機(jī)器人生產(chǎn)商的技術(shù)和市場(chǎng)壟斷,，使得手術(shù)機(jī)器人的購(gòu)置費(fèi)用高、手術(shù)成本高,、維護(hù)費(fèi)用高,。這就直接導(dǎo)致我國(guó)醫(yī)院手術(shù)機(jī)器人的普及率遠(yuǎn)低于歐美，也不及亞洲日,、韓等近鄰,。目前，國(guó)內(nèi)研究人員正在加緊研制各種手術(shù)機(jī)器人及其輔助設(shè)備,、耗材,。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，當(dāng)前的手術(shù)機(jī)器人技術(shù)和市場(chǎng)的壟斷地位可能被打破,，手術(shù)機(jī)器人使用成本的下降是必然趨勢(shì),。

　　海軍總醫(yī)院與北京航天航空大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)CRAS（Computer and Robot Assisted Surgery，CRAS）是國(guó)內(nèi)手術(shù)機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)選用PUMA260、262機(jī)器人作為系統(tǒng)輔助操作的執(zhí)行機(jī)構(gòu),。第一代機(jī)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(shí)現(xiàn)了無(wú)框架立體定向手術(shù),。第五代機(jī)器人除了前四代機(jī)器人的特點(diǎn)外,，自動(dòng)定位功能更加先進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)自動(dòng)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施遠(yuǎn)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(jìn)行了2例立體定向手術(shù)。雖然如此,，CARS手術(shù)機(jī)器人在擴(kuò)大適用范圍和實(shí)用性方面還是有許多問(wèn)題需要解決,。

　　2013年11月，國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目——“微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)”,，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制成功,，并通過(guò)國(guó)家“863”計(jì)劃專家組的驗(yàn)收。據(jù)哈工大機(jī)器人研究所的研發(fā)人員介紹,，國(guó)產(chǎn)微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),，研究人員針對(duì)微創(chuàng)外科手術(shù)的多種術(shù)式，在手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì),、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(jìn)行了重要突破，并申請(qǐng)了多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利,。

　　2014年04月,，中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院順利完成了3例國(guó)產(chǎn)機(jī)器人手術(shù)，這是我國(guó)自主研制的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)首次運(yùn)用于臨床,。該手術(shù)機(jī)器人就是天津大學(xué)研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)——“妙手S”,。“妙手S”系統(tǒng)較國(guó)外同類產(chǎn)品有三點(diǎn)技術(shù)優(yōu)勢(shì),，第一是運(yùn)用了微創(chuàng)手術(shù)器械多自由度絲傳動(dòng)解耦設(shè)計(jì)技術(shù),，解決了運(yùn)動(dòng)耦合問(wèn)題，固定,、防滑,、防松，更有利于精度保持,。第二是實(shí)現(xiàn)了從操作手的可重構(gòu)布局原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù),，使機(jī)器人的“胳膊”更輕，更適應(yīng)手術(shù)的需要,。第三是運(yùn)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(jué)環(huán)境下手-眼-器械運(yùn)動(dòng)的一致性。據(jù)了解,，“妙手S”外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)將有望3年內(nèi)投產(chǎn),。

　　圖：天津大學(xué)“妙手S”手術(shù)機(jī)器人