一种新型微创伤腹腔镜手术机器人系统

苏明轩，王家寅，李自汉，罗中宝，袁帅，陈功，廖志祥，何超

微创（上海）医疗机器人有限公司，上海市，200031

0 引言

20世纪80年代传统腹腔镜系统手术在胆囊切除术的成功开展，正式开创了微创伤外科时代。微创伤外科手术与传统手术相比，具有创口小，术后并发症少，恢复快等优点，深受患者的青睐。随着传统腔镜手术的广泛应用，其局限性也逐渐暴露出来。例如肾切除手术，要在传统腔镜下完成众多的体内缝合相当困难，需要医生具有丰富的开腹手术经验和娴熟的传统腔镜手术技术。由于人类一些器官的生理、解剖结构的特殊性和传统腔镜技术的局限性，外科手术要达到广泛微创伤化、精细化的目的，必须有一种新的外科平台的出现才能解决[1]。

达芬奇（da Vinci）手术机器人系统的应用，解决了外科手术微创伤化及精细化的临床需求。它是目前最先进的微创伤外科手术系统，主要由医生操控台、床旁机械臂手术系统、3D成像系统3个子系统组成。手术时，成像系统将手术视野真实清晰地反映在操控台上，医生在操控台上进行操作，控制系统将医生在患者体外的动作精确传递到机械臂，同时转化为手术器械在患者体内的动作，在不开胸、不开腹的情况下，通过几个孔道完成手术。

相较传统的腹腔镜手术，达芬奇手术机器人具有很多优点[2-6]：①先进的成像技术。 高清3D 摄像头及显像设备的应用使手术视野达到真实三维效果。②操作灵活精细且稳定。 系统可自动滤除生理震动，排除主刀医生手颤抖对手术造成的不利影响。③相对于传统开腹手术创伤小，康复快。减少手术后遗症及并发症的发生，从而降低病人痛苦，“day surgery”成为可能。④节省人力，医生手术过程更舒适。医生不用再挤在手术台旁，可减少医生疲劳，集中精力。

目前，达芬奇手术机器人处于发展阶段，仍存有许多不足之处[2,6-8]：①力反馈设备发展尚不成熟，医生无力触觉感知，无法准确判断组织的质地、弹性、有无搏动等性质，导致缝合打结时断线或钳夹，易导致组织破裂，术中出血量大。②达芬奇机器人系统体积庞大，需较大的手术间用于安装设备。机器臂的连接以及无菌封套的准备占用的时间较多。③费用昂贵。在采用传统腔镜手术容易完成的腹部外科手术中并无明显优势。

通过分析达芬奇手术机器人的不足，为满足腹腔微创伤手术力触觉反馈和安全保护的需求，本文设计了一种新型腹腔镜手术机器人系统，基于高灵敏力传感设计和力反馈功能的安全保护策略实现了全状态手术的力感觉功能，保证手术过程的安全。

1 新型腹腔镜手术机器人系统

本文设计的新型腹腔镜手术机器人系统集成了多维器械力反馈功能并具有基于力反馈功能的安全保护策略，其整体结构如图1所示。

图1 新型机器人系统的设备的整体结构示意图Fig.1 The overall structure of equipment for a new type of robot system

该机器人系统由主端医生控制台、立体视觉子系统和从端患者手术平台三大部分构成。主端医生控制台由主操作臂和立体视觉成像系统组成；立体视觉子系统由显示器及图像处理主机组成；从端患者手术平台包括从工具臂、调整臂及手术所必须的外围设备。医生通过主端的立体视觉成像系统观察病人体内的手术场景，通过控制主操作臂进行平移、旋转及剪切等操作，从端的工具臂实现相应动作的操作复现，从而完成手术操作。

新型腹腔镜手术机器人系统的手术器械配备了多维力传感器，通过直接测量的方法获取力信息，避免了环境中其他因素的干扰，也降低了手术器械设计的复杂性。此外，该手术机器人系统通过设计力反馈安全保护策略，使医生在主端可以感受到从端与环境交互所反馈回的力信息，保护手术操作过程的安全。

参考文献[3-6]的配方和工艺略加修改，最终确定麻辣牛肉丁的配方(见表1)：精盐2.5%，鸡精1.4%，白糖1.5%，花椒1.5%，酱油1%，料酒1%，复合磷酸盐0.4%，五香粉0.5%，味精1%，辣椒粉3.5%。

2 力反馈与安全保护

新型腹腔镜手术机器人的力反馈与安全保护系统是由力反馈技术和安全保护策略组成。力反馈技术是由阻尼反馈通道和视觉反馈通道构成。力反馈技术中的从端的力触觉信息由从端配备的多维器械力反馈技术感测。主端触觉反馈装置将从端反馈回的力信息以阻尼的形式体现在主操作臂，从而能够在主端实现触觉反馈。安全保护策略是基于力信息反馈的保护策略，通过对力信息的分析和处理，采用视觉保护和阻尼保护两个保护通道，保证整个手术过程的安全。

2.1 力反馈技术

本系统的力反馈控制技术是在主从遥操作控制技术基础上，通过建立力反馈通道，将手术中工具臂与病人接触感知到的力信息反馈至主端的医生，实现主端的力感知功能。图2为本系统的医生和病人之间的控制结构框图。

图2 控制框图Fig.2 Control block diagram

基于该控制结构，医生控制主操作臂运动，其关节位置通过运动学变换反馈到从端工具臂，使工具臂跟踪主操作臂的运动，让病人端工具臂复现医生端主操作臂的手术操作，工具臂跟踪主操作臂的同时，在主操作臂-医生一侧也能受工具臂感测到的力信息的影响，从而在主操作臂-工具臂之间形成一个运动和力的交互接口。

在该力反馈技术中，力反馈通道由阻尼反馈[9]和视觉反馈[10]这两条控制通道组成。具体地，设Xm和Xs分别为主操作臂和从端工具臂末端的位置响应，阻尼力矩为τ，关节速度是，阻尼系数是C。另外设发出动作的人（即医生）和作为远端环境的病人分别位于主操作臂、工具臂两端，-Fm、-Fs分别为主操作臂对医生和工具臂对病人施加的作用力，根据作用力与反作用力原理，病人对工具臂发出的作用力为Fs。在阻尼反馈通道中，主从关系映射单元的转换关系为：为工具臂端笛卡尔坐标系到主操作臂端笛卡尔坐标系的变换矩阵，mFs为在主操作臂笛卡尔坐标系下表示的Fs。控制系统将手术器械自身的受力状况以阻尼的形式反馈到主操作臂，从而能够在主端实现触觉反馈。在视觉反馈通道中，手术器械末端受力情况通过立体视觉成像系统以视觉信息的形式直接反馈给医生，使医生能够清楚地判断从端环境的受力情况。

2.2 从端多维力感知技术

本研究设计了一种多维器械力检测装置，通过高灵敏力传感设计来测量从端手术器械末端的受力Fs。多维器械力检测装置搭载在工具臂的手术器械上，由套管和力传感器组成，力传感器安装在套管上，用于检测套管的轴向受力。

通过套管并在末端受到病人身体组织施加的作用力，手术器械受力情况示意图如图3所示。其中，1是手术器械，2是套管，3是器械杆，4是动力模组，点A是手术器械相对于病人人体的不动点，点B位于力传感器与器械杆相接处，点C位于手术器械末端，L1是B到A的距离，L2是C到A的距离，Fsx是手术器械末端受力Fs在套管径向x轴方向的分力，Fsy是手术器械末端受力Fs在套管径向y轴方向分力，Fsx是力传感器沿x轴线方向受力，Fsy是力传感器沿y轴线方向的受力。

图3 手术器械和力检测套管的受力示意图Fig.3 Surgical instruments and force detection of cannula stress

由腹腔镜手术机器人工具臂的实际的运动情况可知，当手术器械与病体接触保持相对静止时，器械杆在点A处受到的合力矩M应为0，所以有：

根据套管在接触处受力，检测装置的计算单元根据力传感器感测而获得套管沿x轴线方向的受力Fsx和沿y轴线方向的受力Fsy，手术器械末端的径向力Fsx和Fsy的计算公式为：

利用上述设计所检测到的多维力信息，通过视觉反馈通道医生可以在成像系统中观察到手术器械末端受力的大小和方向。通过阻尼反馈通道，检测到的力信息会通过力变换与阈值判断转化为主操作臂上的阻尼，从而能够在主端实现触觉反馈。

2.3 主端触觉反馈机制

本研究在手术机器人医生端的主操作臂上设计了一种触觉反馈机制。主端触觉反馈机制是通过在主操作臂各关节上输出阻尼力矩，来约束医生主端操作动作。当手术器械与环境交互产生较大的力反馈信息时，医生操作主操作臂会感到阻碍或动作费力，从而实现约束主端自由动作目的。该触觉反馈机制的核心功能由速度阻尼变换单元实现，速度阻尼变换单元与主操作臂各关节电机耦接，向各关节电机输出阻尼力矩τ=[τ1τ2…τi]T。主端触觉反馈机制具体的工作原理如下。

设医生操作主操作臂时，主操作臂各关节在各关节空间中的产生的关节速度是，在触觉反馈机制的实施中，速度阻尼变换单元依据和主操作臂笛卡尔空间的阻尼系数C=[CxCyCzCθxCθyCθz]T来计算出各关节的阻尼力矩τ。τ的计算公式如下所示：

其中，i是1到n的整数，J是雅克比矩阵，Cx，Cy，Cz分别是主端笛卡尔空间中x轴、y轴、z轴的直线方向的阻尼系数，Cθx，Cθy，Cθz绕主端笛卡尔空间中x轴、y轴、z轴的旋转方向的阻尼系数，Fx，Fy，Fz，Nx，Ny，Nz分别为主端笛卡尔空间中的相对x轴、y轴、z轴的平移力和旋转力，Vx，Vy，Vz分别是主端笛卡尔空间x轴、y轴、z轴方向的线速度，ωx，ωy，ωz是主端笛卡尔空间中相对于x轴、y轴、z轴的旋转角速度。通过对主操作臂采集的力信号进行判断，设置不同的阻尼系数：力信号越大，阻尼系数越大。一般规定，以保证主操作臂的阻尼在笛卡尔空间中各向同性。

2.4 基于力反馈的主从安全保护策略

针对主从控制系统的特征，新型腹腔镜手术机器人系统中设计了基于力反馈的安全保护策略，安全保护策略流程图如图4所示，具体设计和说明如下。

图4 安全保护策略流程图Fig.4 Flow chart of security protection strategy

（1）保护单元实时采集从端与环境的交互力信息，通过主从映射关系，获得主端力反馈信息。

（2）在视觉反馈通道中，通过采用视觉分级显示处理技术，将力信息转化为不同等级的图像提示信息，视觉反馈界面如图5所示，反馈力越大视觉显示颜色越深。该技术使医生可以在成像系统中观察到手术器械末端受力情况，通过视觉图像的方式对“过操作”行为进行提醒，辅助医生进行手术。

图5 视觉反馈画面Fig.5 Visual feedback screen

（3）在阻尼反馈通道中，从端反馈回主端的mFs将首先在阈值判断单元进行阈值判断。阻尼系数选择单元依据判断后的结果来自适应地设定主操作臂笛卡尔空间的阻尼系数C，阻尼系数和反馈力为正相关。速度阻尼变换单元将基于阻尼系数在主操作臂各关节中输出阻尼力矩τi，使得医生在操控工具臂进行接触操作时感受到阻尼感，从而把主端主操作臂各关节的速度控制在一定范围内，保证医生在操作手术器械时不会因“过操作”破坏病人人体组织。

3 动物实验

为验证该新型手术机器人系统的完整性，尤其是基于全状态力反馈的控制技术在实际手术应用的效果，本文开展了4种常见术式的活体“猪”动物实验，即胆囊摘除术、肾切除术、淋巴清扫术、结肠直肠切除术。四种类型手术的动物实验均正常完成，无并发症发生。

内窥镜下的胆囊摘除术、肾切除术、淋巴清扫术、结肠直肠切除术操作如图6所示。

图6 内窥镜下的手术操作Fig.6 Operating under endoscope

为进一步验证该系统的全状态力反馈的控制技术应用效果，针对常见的手术类型——肾切除术进行了5次实验，以平均手术时间及出血量为指标，对比两种手术机器人实验效果[11-16]，具体数据如表1所示。

表1 手术数据统计表Tab.1 Surgical data statistical table

动物实验结果表明，搭载主从力反馈功能和基于力反馈安全保护策略的新型手术机器人系统能够顺利地完成各种外科手术。对比肾切除术，新型腹腔镜手术机器人平均手术时间＜30 min，术中出血量为32～36 mL，评价指标均优于达芬奇手术机器人。因此，搭载了力反馈功能和基于力反馈的安全保护策略的新型腹腔镜手术机器人系统，有效地减少了手术创伤，缩短了手术时间，使得手术过程更加安全可靠。

4 总结

微创伤手术具有许多传统手术所无法比拟的优势，是目前全球外科发展的主旋律。本文设计了一套新型主从式微创伤腹腔镜手术机器人系统，搭载了多维器械力觉感知技术和基于力反馈的安全保护策略，使得医生可以对从端环境进行感知，增强医生远程手术的“临场感”，弥补了目前手术机器人在力反馈上的缺陷，有效提高了机器人辅助手术的安全性。

动物实验的统计结果表明，本新型手术机器人系统能够顺利地完成多种外科手术；特别地，在对肾切除术实验结果对比后，证明了本新型手术机器人系统可以有效地减少手术创伤，缩短手术时间，使得手术过程更加安全。动物实验的顺利实施，验证了新型机器人系统的功能完整性与力反馈安全可靠性，为进一步临床应用奠定了坚实的基础。