当今世界最先进的外科手术机器人----达芬奇

去年5月，一段达芬奇机器人缝制葡萄皮的视频曾经在网络走红。视频呈现的是在一个小玻璃瓶内，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。整个手术过程快速精准，令人称奇！

 

这段视频引发了许多人对达芬奇机器人的兴趣，我也不例外。我真想有机会见见达芬奇机器人就好。没想到，机会很快就来了。没想到，今年2月，我因病住进悉尼圣文森特医院（St.Vincent Private Hosptal ），亲身经历了一场达芬奇机器人手术。操控机器人手术的Stricker教授是澳洲机器人手术的权威专家。他2006年2月就做了澳洲第一例达芬奇机器人前列腺手术，据说至今为止已有1000多名患者接受了他的机器人手术治疗。手术前后，通过医生的讲解、现场参观和阅读相关资料，我对达芬奇机器人有了初步认识。

达芬奇机器人（Da Vinci System），准确地说是达芬奇机器人辅助外科手术系统。20世纪90年代，美国直觉外科公司（American Intuitive Surgical）将太空遥控机器手臂技术转化为临床应用，研制出手术机器人。

大家知道，达芬奇是十五世纪文艺复兴时期的著名艺术家。其实，达芬奇不仅是艺术家，他还是哲学家和发明家。达芬奇对人体解剖学很感兴趣，他参与尸检，制作了许多非常详细的解剖图纸。达芬奇对力学和自动化也有兴趣。他开发了一些人体模型，包括机械骑士。达芬奇于1495年设计了仿人型机械“莱昂纳多机器人”，是世界上第一台机器人的发明者。因此，美国直觉外科公司将这个新面世的手术机器人取名为“达芬奇”。2000年6月，该机器人系统获得美国食品和药物管理局（the Food and Drug Administration 【FDA】）批准，成为第一个用于腹腔镜微创手术的自动控制机械系统。

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。据悉，达芬奇机器人已经发展到第五代。

十几年来，直觉公司不断完善和提升达芬奇系统，使之成为迄今为止世界上最先进和最成功的手术机器人系统，它集成了三维高清视野、可转腕手术器械和直觉式动作控制三大特性，将微创技术更广泛地应用于复杂的外科手术。利用该机器人，外科医生找到了传统开放手术和常规腹腔镜检查的替代方案，通过非常小的切口以无与伦比的精度执行最复杂和最细微的手术，从而可将一些复杂手术简化为微创手术，减少术中出血，减轻病人痛苦，减少住院时间，缩短康复期。目前，该机器人已经广泛用于泌尿外科、心脏外科、妇科外科、脑外科和小儿外科等方面的手术。

    达芬奇机器人长什么样？让我们来见识一下。它由三大部分组成，即医生主控台，机械臂、摄像臂与手术器械组成的移动平台（患者侧推车），成像系统。

图中从左至右分别为主控台、移动平台和成像系统

下面分别介绍这三大部分的结构及工作原理。

1. 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。

 

2. 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。

 

这是机器人的手术器械(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。

 

这是达芬奇机器人最牛逼的特点，第一是手术器械末端具有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）；第二是直觉控制，这也是intuitive公司名字的来源吧，这种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。

医生助手在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。

3. 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高清影像技术和主控台的人机交互设计。其中，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。

　　有人担忧达芬奇机器人手术中会不会出差错，导致手术失败？

事实证明，这点担忧是多余的。达芬奇机器人能提供宽阔视野和准确、灵活的控制能力，能够清楚呈现组织、器官的解剖构造和神经血管束的走行，精细的分离有利于淋巴结的清扫，准确的缝合保证了吻合的高质量，保证了手眼的协调。高分辨率的立体腔镜提供放大10-15倍的高清三维图像，降低了错误的发生率。机器人的机械臂可完全模仿人手腕动作，特殊设计的运动模式保证了医生手部动作与机械臂运动的一致，并滤除了手部的抖动，具有人手无法比拟的稳定性和精确度。它的活动范围远大于人手，在狭窄解剖区域可360度自如运动，比人手更灵活。这样，即可保证手术的安全性，又可提升手术的精确性。

达芬奇机器人并不止于解放医生的双手，遇到某些特殊的病况，达芬奇机器人甚至可以比人更进一步，比如传统腹腔镜手术最困难的是缝合、打结，达芬奇机器人能够比人做的更好，就连之前不会做腹腔镜手术的医生都可以操作。

同时，达芬奇手术机器人能降低术者的工作强度，减少术者疲劳，防止术者手部颤动，使术者精力更集中，使手术更完美。

对患者而言，达芬奇手术的优势非常明显。它可使术后并发症、损伤和失血明显减少，恢复更快、住院时间缩短，手术效果及美观性明显提高。对于某些高龄患者及高危患者，通过机器人手术可规避开放手术带来的创伤。

达芬奇机器人的控制台通常与病人保持一定距离。因此，从技术上讲，该系统可以允许医生进行远程外科手术。2001年，Marescaux博士和IRCAD团队采用先进的异步传输模式（ATM）和宙斯遥控操纵器（Zeus telemanipulator），结合高速光纤连接，在美国纽约成功操纵法国斯特拉斯堡的一台手术，这是第一个跨大西洋的手术，被认为是全球远程外科手术的里程碑。

    所有操作达芬奇手术的医生必须有严格的培训和认证。医生必须要对机器人的硬件和软件系统认知的很透彻，经过线上培训，线下的动物实验操作，考试取得证书等一系列流程之后，才有资格进行临床手术。

不仅医方需要学习，患者也需要有术前教育和辅导。我做手术前一个多月，院方就交给我厚厚一摞资料和几个光盘，要我抽时间仔细阅读和观看。Stricker教授和他的助理还安排时间对我进行面对面的讲解和辅导，告诉我有关达芬奇机器人手术的特点，他们制定的手术方案、流程以及需要我配合的有关事项。譬如，手术时将要在我的腹部打六个小孔，然后把机器人手臂上的有关管道部件插入我的体内；发消毒药给我，手术前一天和到医院去的当天，自己做好身体有关部位的清洗消毒；学会穿防静脉血栓的专用长袜等等。

 

进手术室后，医生助理先核对我的基本情况（姓名、出生日期，病种等），以免弄错，然后进行必要的消毒和注射。实施麻醉前，Stricker教授来到我身边，跟我简单地交谈了几句，鼓励我。他离开后，在麻醉药作用下我渐渐地失去了知觉。2个多小时后，我苏醒过来，2个护士守在我身边，问我身上哪里不舒服，有不有痛感。我感觉很好，基本上没有痛苦。术后无需家人陪护，次日早晨，我就可以下床活动、洗澡和吃东西。第三天，就出院了（有的患者24小时内就可以出院）。

从传统的开刀手术到机器人手术，人类历经了近3个世纪。18世纪80年代，维也纳外科医生Billroth首次打开病人腹腔，完成了首例外科手术。这种传统的开刀手术被称为第一代外科手术并一直沿用至今。20世纪80年代，以腹腔镜胆囊切除术为标志的微创手术取得突破性进展，在许多领域取代了传统开刀手术，称为第二代外科手术。进入21世纪，手术机器人得到开发并迅速投入临床应用，被认为是外科发展史上的一次革命，也预示着第三代外科手术时代的来临。

    达芬奇机器人系统推出不久，就大受欢迎。许多国家争先恐后引进该系统。据初步统计，到2016年9月30日止，全球共有3,803个医疗机构引进了该系统。其中：美国本土为2,501个，欧洲为644个，亚洲为476个（其中：日本230台、中国大陆59台、中国台湾30余台）。达芬奇系统为全球300多万患者带来了精细的微创手术。

中国大陆第一台达芬奇手术机器人是2006年由中国人民解放军301医院引进的。经过10余年的发展，国内已有40多家医院购置了达芬奇手术机器人，总共完成了近3万台手术。可以预计，随着达芬奇手术机