腹腔鏡手術(shù)是一類外科手術(shù)，在手術(shù)過(guò)程中將一個(gè)長(zhǎng)柄器械通過(guò)小切口插入患者體內(nèi)需要?jiǎng)邮中g(shù)的目標(biāo)部位。與傳統(tǒng)的開(kāi)放式手術(shù)相比，腹腔鏡手術(shù)能縮短恢復(fù)時(shí)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(dòng)腹腔鏡手術(shù)存在很多局限，包括不能感知深度、對(duì)相機(jī)的控制不強(qiáng)、儀器尖端能自由轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和空間有限、醫(yī)生手術(shù)器械能活動(dòng)的幅度也受局限。這些局限會(huì)導(dǎo)致外科醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中要忍受不自然和痛苦的手術(shù)姿勢(shì)，從而容易疲勞。
機(jī)器人輔助腹腔鏡手術(shù)，如達(dá)芬奇系統(tǒng)，能讓外科醫(yī)生坐鎮(zhèn)立體聲控制臺(tái)通過(guò)患者床邊的機(jī)器手臂實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)窺鏡手術(shù)器械的遠(yuǎn)程控制。達(dá)芬奇系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：外科醫(yī)生主控制臺(tái)、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(yùn)動(dòng)范圍。該系統(tǒng)還通過(guò)減少手的抖動(dòng)和把外科醫(yī)生的動(dòng)作經(jīng)系統(tǒng)處理之后按比例提供給機(jī)械手臂來(lái)加強(qiáng)(對(duì)手術(shù)精度的)控制。相比醫(yī)生手動(dòng)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(dòng)作還可以縮短外科醫(yī)生的訓(xùn)練時(shí)間。
圖中所示的達(dá)芬奇高清外科手術(shù)系統(tǒng)(da Vinci Si HD Surgical System)配置有兩個(gè)外科醫(yī)生主控制臺(tái)、一臺(tái)病人手術(shù)推車和一臺(tái)用于放置顯示手術(shù)過(guò)程成像設(shè)備推車。
達(dá)芬奇機(jī)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(jī)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(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。 FDA已經(jīng)批準(zhǔn)將達(dá)芬奇機(jī)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(dá)芬奇機(jī)器人
達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)要求在病人身體開(kāi)多達(dá)五個(gè)小型(小于1厘米)的切口，用于插入兩個(gè)手術(shù)機(jī)械手臂和一個(gè)攝像頭。放置在病人床邊的配套推車將手術(shù)器械移動(dòng)到病人身邊，病人床邊會(huì)有外科手術(shù)助手在。與此同時(shí)，醫(yī)生可以坐到房間的控制臺(tái)來(lái)操作系統(tǒng)，外科醫(yī)生的所見(jiàn)和感受與開(kāi)放式手術(shù)是相同的。外科醫(yī)生通過(guò)對(duì)主控裝置(用于將外科醫(yī)生的動(dòng)作翻譯并傳遞給機(jī)械手臂)進(jìn)行操縱來(lái)進(jìn)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(duì)其眼睛自然地動(dòng)作。外科醫(yī)生的對(duì)主控裝置的動(dòng)作被轉(zhuǎn)換成在患者體內(nèi)進(jìn)行的精確的、實(shí)時(shí)的機(jī)器手臂動(dòng)作。
通過(guò)外科醫(yī)生的手腕、手和手指的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制主刀的機(jī)器手臂，這和典型的開(kāi)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(gè)機(jī)器人手臂和一個(gè)內(nèi)窺鏡手臂，它們用來(lái)復(fù)制外科醫(yī)生的動(dòng)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(lái)做支撐，這樣就將把對(duì)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(zhǔn)備合適的切口，并監(jiān)管腹腔鏡機(jī)械手臂和正在使用的工具。
在上面的圖片中，EndoWrist制動(dòng)器正在進(jìn)行縫合操作。在下面的圖片中，外科醫(yī)生正在對(duì)主控制臺(tái)的主控裝置進(jìn)行操作以引導(dǎo)EndoWrist制動(dòng)器。
制動(dòng)設(shè)計(jì)
達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)集成了高端運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，這樣機(jī)器手臂的每個(gè)動(dòng)作都能像熟練的外科醫(yī)生一樣順暢、準(zhǔn)確---即便在很慢的計(jì)算速度下。每個(gè)達(dá)芬奇HD系統(tǒng)包含有30多個(gè)由馬克森精密電機(jī)公司生產(chǎn)的電機(jī)。這些電機(jī)是每個(gè)機(jī)械手臂的心臟。
馬克森電動(dòng)機(jī)為達(dá)芬奇系統(tǒng)提供輸入和輸出。通過(guò)一系列反饋控制，電機(jī)和編碼器接收了來(lái)自醫(yī)生的輸入信號(hào)，在經(jīng)過(guò)主控制臺(tái)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)翻譯后，將輸出信號(hào)傳送給機(jī)器手臂中的電機(jī)。機(jī)械手隨之通過(guò)主控制臺(tái)電路將力反向施加至外科醫(yī)生的手中。
馬克森電機(jī)的定子采用的是稀土磁鐵，其定子采用的是無(wú)鐵設(shè)計(jì)，這樣即便在低速運(yùn)行的情況下也不會(huì)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(jī)作為主控電機(jī)，機(jī)械手臂電機(jī)所用電機(jī)作為從屬電機(jī)。從屬電機(jī)的精度和主控電機(jī)的精度相同，并且還需要能在外科醫(yī)生助手移動(dòng)末端執(zhí)行器就位時(shí)后向驅(qū)動(dòng)。手術(shù)器械頂部的電機(jī)具有低遲滯性。
Intuitive公司的工程師們?cè)谶_(dá)芬奇系統(tǒng)中使用了30多個(gè)電機(jī)。有RE25電機(jī)，有些帶有編碼器反饋，有些電機(jī)沒(méi)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(jī);以及帶第三方編碼器的RE 35系列電機(jī)。
Intuitive Surgical公司總經(jīng)理兼制造工程師Mike Prindiville表示，馬克森電動(dòng)機(jī)是達(dá)芬奇系統(tǒng)核心性能特性試驗(yàn)的關(guān)鍵，這些核心性能特性測(cè)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(cè)。