眾所周知，起源于20世紀(jì)80年代的腹腔鏡技術(shù)，開啟了外科手術(shù)的微創(chuàng)化時代。隨著技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的新技術(shù)應(yīng)用在了微創(chuàng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括大家已經(jīng)非常熟悉的機(jī)器人技術(shù)。
與電子胃鏡類似，腹腔鏡是一種帶有微型攝像頭的器械，腹腔鏡手術(shù)就是利用腹腔鏡及其相關(guān)器械進(jìn)行的手術(shù)：使用冷光源提供照明，將腹腔鏡鏡頭（直徑為3～10mm）插入腹腔內(nèi)，運(yùn)用數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)使腹腔鏡鏡頭拍攝到的圖像通過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)至后級信號處理系統(tǒng)，并且實(shí)時顯示在專用監(jiān)視器上。然后醫(yī)生通過監(jiān)視器屏幕上所顯示患者器官不同角度的圖像，對病人的病情進(jìn)行分析判斷，并且運(yùn)用特殊的腹腔鏡器械進(jìn)行手術(shù)。
但是腹腔鏡技術(shù)有明顯的局限性，例如
■ 轉(zhuǎn)動角度受限，造成了手術(shù)盲區(qū)；
■ 只能提供二維的手術(shù)視野；
■ 器械屬反向操作；
■ 鏡頭易顫抖
■ 醫(yī)生體位不適等
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)逐漸進(jìn)入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并已經(jīng)成為了微創(chuàng)外科手術(shù)的潮流技術(shù)，預(yù)示著第三代外科手術(shù)時代已經(jīng)來臨。
以美國Inuitive surgical公司研發(fā)和制造的“達(dá)芬奇”機(jī)械人手術(shù)系統(tǒng)，成為了微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的典型代表。同時，達(dá)芬奇也是唯一的可以用于腹腔手術(shù)的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)。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)手對該系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步開發(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)器人手術(shù)系統(tǒng)，又可稱為內(nèi)窺鏡手術(shù)器械控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由三個部分組成：外科醫(yī)生主控制臺、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)動范圍。該系統(tǒng)還通過減少手的抖動和把外科醫(yī)生的動作經(jīng)系統(tǒng)處理之后按比例提供給機(jī)械手臂來加強(qiáng)(對手術(shù)精度的)控制。相比醫(yī)生手動的腹腔鏡手術(shù)，符合人體工程學(xué)的儀表-手-眼結(jié)合和直觀的器械動作還可以縮短外科醫(yī)生的訓(xùn)練時間。
“達(dá)芬奇”機(jī)器人的機(jī)械手擁有7個自由度，具有人手無法企及的精確性。“達(dá)芬奇”還可以過濾人手的抖動，使得手術(shù)可以更精細(xì)。此外，機(jī)器人手術(shù)還具有移動縮減功能的特點(diǎn)，也就是說醫(yī)生在操縱這一裝置的過程中，移動操作桿5毫米，在患者體內(nèi)的機(jī)械末端僅移動1毫米，這樣就大大提高了手術(shù)的精確性和安全性。
達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)要求在病人身體開多達(dá)五個小型(小于1厘米)的切口，用于插入兩個手術(shù)機(jī)械手臂和一個攝像頭。放置在病人床邊的配套推車將手術(shù)器械移動到病人身邊，病人床邊會有外科手術(shù)助手在。與此同時，醫(yī)生可以坐到房間的控制臺來操作系統(tǒng)，外科醫(yī)生的所見和感受與開放式手術(shù)是相同的。外科醫(yī)生通過對主控裝置(用于將外科醫(yī)生的動作翻譯并傳遞給機(jī)械手臂)進(jìn)行操縱來進(jìn)行手術(shù)。外科醫(yī)生用手抓住顯示屏下方的主控裝置，手腕相對其眼睛自然地動作。外科醫(yī)生的對主控裝置的動作被轉(zhuǎn)換成在患者體內(nèi)進(jìn)行的精確的、實(shí)時的機(jī)器手臂動作。
通過外科醫(yī)生的手腕、手和手指的運(yùn)動來控制主刀的機(jī)器手臂，這和典型的開放式手術(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機(jī)器人手臂和一個內(nèi)窺鏡手臂，它們用來復(fù)制外科醫(yī)生的動作。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做支撐，這樣就將把對組織和神經(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。
達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)集成了高端運(yùn)動控制技術(shù)，這樣機(jī)器手臂的每個動作都能像熟練的外科醫(yī)生一樣順暢、準(zhǔn)確---即便在很慢的計算速度下。每個達(dá)芬奇HD系統(tǒng)包含有30多個由馬克森精密電機(jī)公司生產(chǎn)的電機(jī)。這些電機(jī)是每個機(jī)械手臂的心臟。
馬克森電動機(jī)為達(dá)芬奇系統(tǒng)提供輸入和輸出。通過一系列反饋控制，電機(jī)和編碼器接收了來自醫(yī)生的輸入信號，在經(jīng)過主控制臺電路進(jìn)行實(shí)時翻譯后，將輸出信號傳送給機(jī)器手臂中的電機(jī)。機(jī)械手隨之通過主控制臺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，其定子采用的是無鐵設(shè)計，這樣即便在低速運(yùn)行的情況下也不會有磁性齒槽存在。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)生助手移動末端執(zhí)行器就位時后向驅(qū)動。手術(shù)器械頂部的電機(jī)具有低遲滯性。
Intuitive公司的工程師們在達(dá)芬奇系統(tǒng)中使用了30多個電機(jī)。有RE25電機(jī)，有些帶有編碼器反饋，有些電機(jī)沒帶編碼器反饋;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)。馬克森電動機(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。
范德比爾特大學(xué)的一個工程師和醫(yī)生的團(tuán)隊已經(jīng)研發(fā)出了一種微小的機(jī)械手，可用于毫米大小的切口和縫合，并允許更多樣化的操作，而且以更小的創(chuàng)傷來進(jìn)行現(xiàn)有的操作。這種機(jī)械手腕足夠靈活，可以將針頭伸進(jìn)鼻子、咽喉、耳朵、尿道和腦內(nèi)。機(jī)械手可以切一個縫紉針直徑的切口，并在你的體內(nèi)完成90度的彎曲，一些極其困難的手術(shù)很快就將會變得更加簡單和靈活。
相比其他類型的及其手術(shù)系統(tǒng)較大的操作范圍（2.4到15毫米(0.1至0.6英寸)），這種新型機(jī)械手操作范圍可以達(dá)到了1.16毫米(0.05英寸)。
這種機(jī)械手有望應(yīng)用于許多精確、小規(guī)模的外科手術(shù)中，研究人員相信它尤其對針式腔鏡外科有所幫助。比如在極小的切口上，它可以用手術(shù)膠帶縫合傷口，而且不留疤痕。作為腹腔鏡，在較小的范圍內(nèi)，它可以使用微型手術(shù)器械，通過細(xì)管往切口里給藥，類似地，微型照相機(jī)還可以提供可視化的引導(dǎo)。這是微創(chuàng)手術(shù)最尖端的手段。
有了這種靈活的機(jī)械手腕，外科醫(yī)生將很快能夠通過如鼻、喉等自然通道，以及其他一些較為尖銳的區(qū)域，如踝關(guān)節(jié)和中耳等進(jìn)行小規(guī)模的操作。
這種機(jī)械腕由一種名叫鎳鈦諾制成的堅硬細(xì)管組成，這是鎳和鈦的合金，可以在一定的曲率下成型。設(shè)計之初，研究人員打算用許多小零件組成，但后來他們意識到可以采取鎳鈦合金管代替，切四或五個孔使其可以達(dá)到90度的動態(tài)彎曲。他們還發(fā)現(xiàn)可以通過在尖端附著電線來控制其彎曲度 - 如果撤去電壓，機(jī)械腕彈回到直線位置，如果逐漸增加或減小電壓，就可以精確地控制它的彎曲。
范德比爾特大學(xué)五月申請了臨時專利，提供給外科醫(yī)生操縱機(jī)械臂的軟件接口將在8月底完成。這之后還需要得到FDA的批準(zhǔn)，這可能要花上四五年的時間。
如今，盡管技術(shù)進(jìn)步了，但機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)仍維持著高昂的市場價格，以達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)為例，售價達(dá)到2000萬人民幣以上，使得很難得到大規(guī)模使用，在中國截止今天也只有不到20臺。我們期待越來越多的技術(shù)企業(yè)參與到這個行業(yè)中，共同推動技術(shù)進(jìn)步，同時通過市場手段降低設(shè)備價格，讓普通人得到真正的實(shí)惠。