蘇明軒，王家寅，李自漢，羅中寶，袁帥，陳功，廖志祥，何超

微創(chuàng)（上海）醫(yī)療機(jī)器人有限公司，上海市，200031

0 引言

20世紀(jì)80年代傳統(tǒng)腹腔鏡系統(tǒng)手術(shù)在膽囊切除術(shù)的成功開展，正式開創(chuàng)了微創(chuàng)傷外科時(shí)代。微創(chuàng)傷外科手術(shù)與傳統(tǒng)手術(shù)相比，具有創(chuàng)口小，術(shù)后并發(fā)癥少，恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，深受患者的青睞。隨著傳統(tǒng)腔鏡手術(shù)的廣泛應(yīng)用，其局限性也逐漸暴露出來(lái)。例如腎切除手術(shù)，要在傳統(tǒng)腔鏡下完成眾多的體內(nèi)縫合相當(dāng)困難，需要醫(yī)生具有豐富的開腹手術(shù)經(jīng)驗(yàn)和嫻熟的傳統(tǒng)腔鏡手術(shù)技術(shù)。由于人類一些器官的生理、解剖結(jié)構(gòu)的特殊性和傳統(tǒng)腔鏡技術(shù)的局限性，外科手術(shù)要達(dá)到廣泛微創(chuàng)傷化、精細(xì)化的目的，必須有一種新的外科平臺(tái)的出現(xiàn)才能解決[1]。

達(dá)芬奇（da Vinci）手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用，解決了外科手術(shù)微創(chuàng)傷化及精細(xì)化的臨床需求。它是目前最先進(jìn)的微創(chuàng)傷外科手術(shù)系統(tǒng)，主要由醫(yī)生操控臺(tái)、床旁機(jī)械臂手術(shù)系統(tǒng)、3D成像系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)組成。手術(shù)時(shí)，成像系統(tǒng)將手術(shù)視野真實(shí)清晰地反映在操控臺(tái)上，醫(yī)生在操控臺(tái)上進(jìn)行操作，控制系統(tǒng)將醫(yī)生在患者體外的動(dòng)作精確傳遞到機(jī)械臂，同時(shí)轉(zhuǎn)化為手術(shù)器械在患者體內(nèi)的動(dòng)作，在不開胸、不開腹的情況下，通過(guò)幾個(gè)孔道完成手術(shù)。

相較傳統(tǒng)的腹腔鏡手術(shù)，達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人具有很多優(yōu)點(diǎn)[2-6]：①先進(jìn)的成像技術(shù)。 高清3D 攝像頭及顯像設(shè)備的應(yīng)用使手術(shù)視野達(dá)到真實(shí)三維效果。②操作靈活精細(xì)且穩(wěn)定。 系統(tǒng)可自動(dòng)濾除生理震動(dòng)，排除主刀醫(yī)生手顫抖對(duì)手術(shù)造成的不利影響。③相對(duì)于傳統(tǒng)開腹手術(shù)創(chuàng)傷小，康復(fù)快。減少手術(shù)后遺癥及并發(fā)癥的發(fā)生，從而降低病人痛苦，“day surgery”成為可能。④節(jié)省人力，醫(yī)生手術(shù)過(guò)程更舒適。醫(yī)生不用再擠在手術(shù)臺(tái)旁，可減少醫(yī)生疲勞，集中精力。

目前，達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人處于發(fā)展階段，仍存有許多不足之處[2,6-8]：①力反饋設(shè)備發(fā)展尚不成熟，醫(yī)生無(wú)力觸覺(jué)感知，無(wú)法準(zhǔn)確判斷組織的質(zhì)地、彈性、有無(wú)搏動(dòng)等性質(zhì)，導(dǎo)致縫合打結(jié)時(shí)斷線或鉗夾，易導(dǎo)致組織破裂，術(shù)中出血量大。②達(dá)芬奇機(jī)器人系統(tǒng)體積龐大，需較大的手術(shù)間用于安裝設(shè)備。機(jī)器臂的連接以及無(wú)菌封套的準(zhǔn)備占用的時(shí)間較多。③費(fèi)用昂貴。在采用傳統(tǒng)腔鏡手術(shù)容易完成的腹部外科手術(shù)中并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)分析達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的不足，為滿足腹腔微創(chuàng)傷手術(shù)力觸覺(jué)反饋和安全保護(hù)的需求，本文設(shè)計(jì)了一種新型腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，基于高靈敏力傳感設(shè)計(jì)和力反饋功能的安全保護(hù)策略實(shí)現(xiàn)了全狀態(tài)手術(shù)的力感覺(jué)功能，保證手術(shù)過(guò)程的安全。

1 新型腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的新型腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)集成了多維器械力反饋功能并具有基于力反饋功能的安全保護(hù)策略，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The overall structure of equipment for a new type of robot system

該機(jī)器人系統(tǒng)由主端醫(yī)生控制臺(tái)、立體視覺(jué)子系統(tǒng)和從端患者手術(shù)平臺(tái)三大部分構(gòu)成。主端醫(yī)生控制臺(tái)由主操作臂和立體視覺(jué)成像系統(tǒng)組成；立體視覺(jué)子系統(tǒng)由顯示器及圖像處理主機(jī)組成；從端患者手術(shù)平臺(tái)包括從工具臂、調(diào)整臂及手術(shù)所必須的外圍設(shè)備。醫(yī)生通過(guò)主端的立體視覺(jué)成像系統(tǒng)觀察病人體內(nèi)的手術(shù)場(chǎng)景，通過(guò)控制主操作臂進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)及剪切等操作，從端的工具臂實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)作的操作復(fù)現(xiàn)，從而完成手術(shù)操作。

新型腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的手術(shù)器械配備了多維力傳感器，通過(guò)直接測(cè)量的方法獲取力信息，避免了環(huán)境中其他因素的干擾，也降低了手術(shù)器械設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。此外，該手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)力反饋安全保護(hù)策略，使醫(yī)生在主端可以感受到從端與環(huán)境交互所反饋回的力信息，保護(hù)手術(shù)操作過(guò)程的安全。

參考文獻(xiàn)[3-6]的配方和工藝略加修改，最終確定麻辣牛肉丁的配方(見表1)：精鹽2.5%，雞精1.4%，白糖1.5%，花椒1.5%，醬油1%，料酒1%，復(fù)合磷酸鹽0.4%，五香粉0.5%，味精1%，辣椒粉3.5%。

2 力反饋與安全保護(hù)

新型腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人的力反饋與安全保護(hù)系統(tǒng)是由力反饋技術(shù)和安全保護(hù)策略組成。力反饋技術(shù)是由阻尼反饋通道和視覺(jué)反饋通道構(gòu)成。力反饋技術(shù)中的從端的力觸覺(jué)信息由從端配備的多維器械力反饋技術(shù)感測(cè)。主端觸覺(jué)反饋裝置將從端反饋回的力信息以阻尼的形式體現(xiàn)在主操作臂，從而能夠在主端實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)反饋。安全保護(hù)策略是基于力信息反饋的保護(hù)策略，通過(guò)對(duì)力信息的分析和處理，采用視覺(jué)保護(hù)和阻尼保護(hù)兩個(gè)保護(hù)通道，保證整個(gè)手術(shù)過(guò)程的安全。

2.1 力反饋技術(shù)

本系統(tǒng)的力反饋控制技術(shù)是在主從遙操作控制技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)建立力反饋通道，將手術(shù)中工具臂與病人接觸感知到的力信息反饋至主端的醫(yī)生，實(shí)現(xiàn)主端的力感知功能。圖2為本系統(tǒng)的醫(yī)生和病人之間的控制結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 控制框圖Fig.2 Control block diagram

基于該控制結(jié)構(gòu)，醫(yī)生控制主操作臂運(yùn)動(dòng)，其關(guān)節(jié)位置通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)變換反饋到從端工具臂，使工具臂跟蹤主操作臂的運(yùn)動(dòng)，讓病人端工具臂復(fù)現(xiàn)醫(yī)生端主操作臂的手術(shù)操作，工具臂跟蹤主操作臂的同時(shí)，在主操作臂-醫(yī)生一側(cè)也能受工具臂感測(cè)到的力信息的影響，從而在主操作臂-工具臂之間形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)和力的交互接口。

在該力反饋技術(shù)中，力反饋通道由阻尼反饋[9]和視覺(jué)反饋[10]這兩條控制通道組成。具體地，設(shè)Xm和Xs分別為主操作臂和從端工具臂末端的位置響應(yīng)，阻尼力矩為τ，關(guān)節(jié)速度是，阻尼系數(shù)是C。另外設(shè)發(fā)出動(dòng)作的人（即醫(yī)生）和作為遠(yuǎn)端環(huán)境的病人分別位于主操作臂、工具臂兩端，-Fm、-Fs分別為主操作臂對(duì)醫(yī)生和工具臂對(duì)病人施加的作用力，根據(jù)作用力與反作用力原理，病人對(duì)工具臂發(fā)出的作用力為Fs。在阻尼反饋通道中，主從關(guān)系映射單元的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：為工具臂端笛卡爾坐標(biāo)系到主操作臂端笛卡爾坐標(biāo)系的變換矩陣，mFs為在主操作臂笛卡爾坐標(biāo)系下表示的Fs?？刂葡到y(tǒng)將手術(shù)器械自身的受力狀況以阻尼的形式反饋到主操作臂，從而能夠在主端實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)反饋。在視覺(jué)反饋通道中，手術(shù)器械末端受力情況通過(guò)立體視覺(jué)成像系統(tǒng)以視覺(jué)信息的形式直接反饋給醫(yī)生，使醫(yī)生能夠清楚地判斷從端環(huán)境的受力情況。

2.2 從端多維力感知技術(shù)

本研究設(shè)計(jì)了一種多維器械力檢測(cè)裝置，通過(guò)高靈敏力傳感設(shè)計(jì)來(lái)測(cè)量從端手術(shù)器械末端的受力Fs。多維器械力檢測(cè)裝置搭載在工具臂的手術(shù)器械上，由套管和力傳感器組成，力傳感器安裝在套管上，用于檢測(cè)套管的軸向受力。

通過(guò)套管并在末端受到病人身體組織施加的作用力，手術(shù)器械受力情況示意圖如圖3所示。其中，1是手術(shù)器械，2是套管，3是器械桿，4是動(dòng)力模組，點(diǎn)A是手術(shù)器械相對(duì)于病人人體的不動(dòng)點(diǎn)，點(diǎn)B位于力傳感器與器械桿相接處，點(diǎn)C位于手術(shù)器械末端，L1是B到A的距離，L2是C到A的距離，F(xiàn)sx是手術(shù)器械末端受力Fs在套管徑向x軸方向的分力，F(xiàn)sy是手術(shù)器械末端受力Fs在套管徑向y軸方向分力，F(xiàn)sx是力傳感器沿x軸線方向受力，F(xiàn)sy是力傳感器沿y軸線方向的受力。

圖3 手術(shù)器械和力檢測(cè)套管的受力示意圖Fig.3 Surgical instruments and force detection of cannula stress

由腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人工具臂的實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況可知，當(dāng)手術(shù)器械與病體接觸保持相對(duì)靜止時(shí)，器械桿在點(diǎn)A處受到的合力矩M應(yīng)為0，所以有：

根據(jù)套管在接觸處受力，檢測(cè)裝置的計(jì)算單元根據(jù)力傳感器感測(cè)而獲得套管沿x軸線方向的受力Fsx和沿y軸線方向的受力Fsy，手術(shù)器械末端的徑向力Fsx和Fsy的計(jì)算公式為：

利用上述設(shè)計(jì)所檢測(cè)到的多維力信息，通過(guò)視覺(jué)反饋通道醫(yī)生可以在成像系統(tǒng)中觀察到手術(shù)器械末端受力的大小和方向。通過(guò)阻尼反饋通道，檢測(cè)到的力信息會(huì)通過(guò)力變換與閾值判斷轉(zhuǎn)化為主操作臂上的阻尼，從而能夠在主端實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)反饋。

2.3 主端觸覺(jué)反饋機(jī)制

本研究在手術(shù)機(jī)器人醫(yī)生端的主操作臂上設(shè)計(jì)了一種觸覺(jué)反饋機(jī)制。主端觸覺(jué)反饋機(jī)制是通過(guò)在主操作臂各關(guān)節(jié)上輸出阻尼力矩，來(lái)約束醫(yī)生主端操作動(dòng)作。當(dāng)手術(shù)器械與環(huán)境交互產(chǎn)生較大的力反饋信息時(shí)，醫(yī)生操作主操作臂會(huì)感到阻礙或動(dòng)作費(fèi)力，從而實(shí)現(xiàn)約束主端自由動(dòng)作目的。該觸覺(jué)反饋機(jī)制的核心功能由速度阻尼變換單元實(shí)現(xiàn)，速度阻尼變換單元與主操作臂各關(guān)節(jié)電機(jī)耦接，向各關(guān)節(jié)電機(jī)輸出阻尼力矩τ=[τ1τ2…τi]T。主端觸覺(jué)反饋機(jī)制具體的工作原理如下。

設(shè)醫(yī)生操作主操作臂時(shí)，主操作臂各關(guān)節(jié)在各關(guān)節(jié)空間中的產(chǎn)生的關(guān)節(jié)速度是，在觸覺(jué)反饋機(jī)制的實(shí)施中，速度阻尼變換單元依據(jù)和主操作臂笛卡爾空間的阻尼系數(shù)C=[CxCyCzCθxCθyCθz]T來(lái)計(jì)算出各關(guān)節(jié)的阻尼力矩τ。τ的計(jì)算公式如下所示：

其中，i是1到n的整數(shù)，J是雅克比矩陣，Cx，Cy，Cz分別是主端笛卡爾空間中x軸、y軸、z軸的直線方向的阻尼系數(shù)，Cθx，Cθy，Cθz繞主端笛卡爾空間中x軸、y軸、z軸的旋轉(zhuǎn)方向的阻尼系數(shù)，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Nx，Ny，Nz分別為主端笛卡爾空間中的相對(duì)x軸、y軸、z軸的平移力和旋轉(zhuǎn)力，Vx，Vy，Vz分別是主端笛卡爾空間x軸、y軸、z軸方向的線速度，ωx，ωy，ωz是主端笛卡爾空間中相對(duì)于x軸、y軸、z軸的旋轉(zhuǎn)角速度。通過(guò)對(duì)主操作臂采集的力信號(hào)進(jìn)行判斷，設(shè)置不同的阻尼系數(shù)：力信號(hào)越大，阻尼系數(shù)越大。一般規(guī)定，以保證主操作臂的阻尼在笛卡爾空間中各向同性。

2.4 基于力反饋的主從安全保護(hù)策略

針對(duì)主從控制系統(tǒng)的特征，新型腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了基于力反饋的安全保護(hù)策略，安全保護(hù)策略流程圖如圖4所示，具體設(shè)計(jì)和說(shuō)明如下。

圖4 安全保護(hù)策略流程圖Fig.4 Flow chart of security protection strategy

（1）保護(hù)單元實(shí)時(shí)采集從端與環(huán)境的交互力信息，通過(guò)主從映射關(guān)系，獲得主端力反饋信息。

（2）在視覺(jué)反饋通道中，通過(guò)采用視覺(jué)分級(jí)顯示處理技術(shù)，將力信息轉(zhuǎn)化為不同等級(jí)的圖像提示信息，視覺(jué)反饋界面如圖5所示，反饋力越大視覺(jué)顯示顏色越深。該技術(shù)使醫(yī)生可以在成像系統(tǒng)中觀察到手術(shù)器械末端受力情況，通過(guò)視覺(jué)圖像的方式對(duì)“過(guò)操作”行為進(jìn)行提醒，輔助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)。

圖5 視覺(jué)反饋畫面Fig.5 Visual feedback screen

（3）在阻尼反饋通道中，從端反饋回主端的mFs將首先在閾值判斷單元進(jìn)行閾值判斷。阻尼系數(shù)選擇單元依據(jù)判斷后的結(jié)果來(lái)自適應(yīng)地設(shè)定主操作臂笛卡爾空間的阻尼系數(shù)C，阻尼系數(shù)和反饋力為正相關(guān)。速度阻尼變換單元將基于阻尼系數(shù)在主操作臂各關(guān)節(jié)中輸出阻尼力矩τi，使得醫(yī)生在操控工具臂進(jìn)行接觸操作時(shí)感受到阻尼感，從而把主端主操作臂各關(guān)節(jié)的速度控制在一定范圍內(nèi)，保證醫(yī)生在操作手術(shù)器械時(shí)不會(huì)因“過(guò)操作”破壞病人人體組織。

3 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證該新型手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的完整性，尤其是基于全狀態(tài)力反饋的控制技術(shù)在實(shí)際手術(shù)應(yīng)用的效果，本文開展了4種常見術(shù)式的活體“豬”動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，即膽囊摘除術(shù)、腎切除術(shù)、淋巴清掃術(shù)、結(jié)腸直腸切除術(shù)。四種類型手術(shù)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均正常完成，無(wú)并發(fā)癥發(fā)生。

內(nèi)窺鏡下的膽囊摘除術(shù)、腎切除術(shù)、淋巴清掃術(shù)、結(jié)腸直腸切除術(shù)操作如圖6所示。

圖6 內(nèi)窺鏡下的手術(shù)操作Fig.6 Operating under endoscope

為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的全狀態(tài)力反饋的控制技術(shù)應(yīng)用效果，針對(duì)常見的手術(shù)類型——腎切除術(shù)進(jìn)行了5次實(shí)驗(yàn)，以平均手術(shù)時(shí)間及出血量為指標(biāo)，對(duì)比兩種手術(shù)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)效果[11-16]，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 手術(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Surgical data statistical table

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，搭載主從力反饋功能和基于力反饋安全保護(hù)策略的新型手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)能夠順利地完成各種外科手術(shù)。對(duì)比腎切除術(shù)，新型腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人平均手術(shù)時(shí)間＜30 min，術(shù)中出血量為32～36 mL，評(píng)價(jià)指標(biāo)均優(yōu)于達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人。因此，搭載了力反饋功能和基于力反饋的安全保護(hù)策略的新型腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，有效地減少了手術(shù)創(chuàng)傷，縮短了手術(shù)時(shí)間，使得手術(shù)過(guò)程更加安全可靠。

4 總結(jié)

微創(chuàng)傷手術(shù)具有許多傳統(tǒng)手術(shù)所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，是目前全球外科發(fā)展的主旋律。本文設(shè)計(jì)了一套新型主從式微創(chuàng)傷腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，搭載了多維器械力覺(jué)感知技術(shù)和基于力反饋的安全保護(hù)策略，使得醫(yī)生可以對(duì)從端環(huán)境進(jìn)行感知，增強(qiáng)醫(yī)生遠(yuǎn)程手術(shù)的“臨場(chǎng)感”，彌補(bǔ)了目前手術(shù)機(jī)器人在力反饋上的缺陷，有效提高了機(jī)器人輔助手術(shù)的安全性。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，本新型手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)能夠順利地完成多種外科手術(shù)；特別地，在對(duì)腎切除術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比后，證明了本新型手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)可以有效地減少手術(shù)創(chuàng)傷，縮短手術(shù)時(shí)間，使得手術(shù)過(guò)程更加安全。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的順利實(shí)施，驗(yàn)證了新型機(jī)器人系統(tǒng)的功能完整性與力反饋安全可靠性，為進(jìn)一步臨床應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。