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正在一个小玻璃瓶内，一粒葡萄正在接管机器人做手术。手术全部流程是由一台叫“达芬奇”的手术机器人实现的，它先是用本人的机械手扯开了一颗葡萄的表皮，厥后又胜利缝合了葡萄的“表皮”。葡萄的长度不到2.5厘米且十分懦弱，葡萄皮的厚度不到1毫米，正在“达芬奇”缝完最初一针之后，葡萄基本上连结完美形态。

达芬奇外科手术体系是一种高等机器人平台，其计划的理念是经由过程利用微创的方式，实行庞大的外科手术。达芬奇体系是世界上仅有的、可以正式正在腹腔手术中利用的机器人手术体系，也是现阶段最庞大跟最高贵的外科手术体系之一。

不外实在达芬奇机器人并不是咱们一向认为的具有人形和人工智能深度学习等功用，严格来说达芬奇机器人是一种高等机器人平台，由外科医生控制台、床旁机器臂体系、成像体系三部门构成。

从医学的角度来讲，达芬奇机器人就是高等的腹腔镜体系。它正在停止手术操纵时也须要机器臂穿过胸部、腹壁等等，其计划的理念是经由过程利用微创的方式，实行庞大的外科手术。

达芬奇手术机器人的来源

达芬奇机器人的技巧源于拥有官方靠山的斯坦福研究院(SRI)，上世纪80年月终，一群科学家正在斯坦福研究院起头了外科手术机器人的研发，初志是要研制出得当战地手术的机器人。正在后续的研讨中，手术机器人惹起了美国国防部的存眷，他们对这类大夫可以近程操纵去对兵士停止手术的体系很感兴趣，很快这类乐趣酿成了实际行动。1990年的时间项目组收到了美国国家卫生研究院的投资，愿望他们可能尽快的研讨出可供实际利用的原型。

正在1994的时间FredericMoll博士对这套体系十分感兴趣，他屡次要求将“Lenny”(初期达芬奇机器人)商业化，以最大化它的代价。因而FredericMoll跟SRI颠末屡次协商后胜利采办了对于Lenny机器人的知识产权。之后正在1995年建立了IntuitiveSurgicalDevicesInc(直觉外科公司)。

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器手臂举止规模更大了，容许大夫正在没有离开控制台的环境下停止多图窥察。2009年推出了第三代机器人，比拟第二代机器人，增长了单控制台、模拟控制器、术中荧光显影技巧等功用。第四代机器人正在2014年推出，灵巧度、精准度、成像清晰度等方面有了量的进步，2014年下半年借开辟了近程窥察跟指点体系。现阶段，达芬奇机器人曾经开展到第五代。

达芬奇手术机器人是现阶段寰球最胜利及使用最普遍的手术机器人，普遍合用于普外科、泌尿科、心血管外科、胸外科、妇科、五官科、小儿外科等。达芬奇手术机器人正在前列腺切除手术上使用最多，此刻也已愈来愈多地使用于心脏瓣膜修复跟妇科手术中。

达芬奇手术机械的构成及功用

达芬奇手术机器人次要由3个部门构成：外科医生控制台、床旁机器臂体系、成像体系。

大夫主控台

主控台按人体工程学原理计划，普通位于手术室无菌区以外，主刀大夫坐着利用双手(经由过程操纵两个主控制器)及脚(经由过程脚踏板)去节制器械跟一个三维高清内窥镜。体系将大夫的眼睛跟手部天然延长到患者身上，将大夫的脚、伎俩跟手指运动精确天翻译成手术器械的微细而正确的运动。手术器械尖端与外科医生的双手同步运动。

大夫经由过程主控台的目镜看到的3D显现后果十分传神，立体感跟层次感十分好，可能取得精确的空间距离。支持手臂的挡板上有个小LED显示屏，显现患者、术者、术式等根本信息。后方的就是操纵杆了，手指套正在下面停止操纵，能同时节制两条臂，停止挪动、切割、止血、缝合、打结等各类操纵，敏锐水平不逊人手。接下来是上面的脚踏板，左边玄色的节制腹腔镜机器臂的挪动。右侧跟平凡电刀的脚踏板一样，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大夫依据体系反应的人体外部病灶情况及剖解图象所确立的手术计划及步调解析为体系的系列举措。

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挪动平台

又叫病人侧推车，这是病人端机器人体系。侧推车存在4个流动于可挪动基座的机器臂，底座经由过程线缆跟高可靠性航空插头与控制台相连。中间机器臂是持镜臂，担任握持摄像机体系。其余机器臂是持械臂，担任握持特制外科手术器械。臂体系整车依赖存在自锁才能的脚轮支持，可以实现手工挪动;设有助力安装，正在不内部动力源的环境下，仍可供给5min摆布的能源撑持。每一个机器臂存在一系列多地位枢纽跟可扭转的末尾枢纽与套管相连，如许正在装置时容易摆位，并保障可达手术要求的运动空间。手工停止机器臂摆位时须要借助一个节制开关以抓紧悉数枢纽，铺开此开关则机器臂将从头锁定正在以后地位。每一个机器臂上有一个零丁的键作为末尾可旋转关节的离合器，允停止快捷改换。微器械的枢纽由毗邻到其端部四个轮子的线路系统控制，后端采取四个小轮将来自机电的运动传送给钢丝，进而动员各枢纽运动。地位刷新率濒临1500Hz，是以可无效去除机器震颤。微器械尖端经由过程怪异的机械设计实现6种自由度，可以经由过程举止器械本身供给第7种自由度(如切割或抓持)。器械存在可反复消毒的特性。

机器人手臂绕流动枢轴面挪动，手术体系的安全检查可以防备仪器或机器人手臂的任何自力运动。外科医生节制Endowrist仪器，仪器计划有七种运动，比人类伎俩的运动规模更大。每种仪器对象均作特定使命计划，如夹紧、切割、凝结、剖解、缝合及其对人体组织停止的相关操纵。机器臂是体系的核心部件，看起来很像腹腔镜器械，通用有针持、抓钳、铰剪等分歧的臂，地位可调换。与腹腔镜器械分歧的是，每条臂皆有良多小枢纽，伎俩器械蜿蜒度跟扭转度远远超越人的脚，可以实现各类庞大到人手有时皆没法实现的举措。

机器人手臂的特色：

1、脚拥有7个自由度，存在人手没法企及的精确性。

2、可以过滤人手的颤动，使得手术可以更邃密。

3、存在挪动缩减功用的特色，也就是说大夫正在支配这一安装的进程中，挪动操纵杆5毫米，正在患者体内的机器末尾仅挪动1毫米，如许便大大提高了手术的精确性跟安全性。

机器人的手术器械(instrument)

利用时插正在病人端机器人上。机器臂是一种高值耗材，利用时且则装置到机器人上。这个器械下面装置了影象芯片，每插正在机器人上一次，芯片便会计数+110次当前，10次后机器人便不克不及利用这个器械了。这类计划的一个目标是公司要赚耗材费，二是制止器械内里布局毛病，形成手术危险。

手术器械末尾存在3+1个自由度，加上3个地位自由度完整保障了正在器械末尾腹腔外部的6个运动自由度(空间中有6个自由度);此外经由过程直觉节制制止了平凡腹腔镜手术操纵的反向操纵，极大的进步了大夫操纵的才能跟速率。

成像体系

成像体系(VideoCart)次要由三维内窥镜、摄像机及处理器、窥察体系构成，离别位于持镜臂、成像体系跟节制台上。内装有手术机器人的焦点处理器和图象处理设备。手术机器人的内窥镜为高分辨率三维(3D)镜头，对手术视线存在10倍以上的缩小倍数，能为主刀大夫带来患者体腔内三维平面高清影像，使主刀大夫可能真实的感知跟明晰天窥察到手术部位的剖解布局，掌握好操纵距离，精准避开手术区域的血管跟神经，将外科医生的手部运动转化为患者体内细小器械的较小、正确的运动，最大限度天保存患者器官跟组织的生理功能。

安排于成像体系中的两台三晶片摄像机可以发生两个存在高清晰度跟色采还原性的高质量图象，并离别输出到控制台中的两台手术操纵监视器。经由过程三维图象观察器，两路略带视差的图象离别被发送至术者的左右眼，从而造成高质量的三维图象。内窥镜照明采取高质量冷光源，使光芒亮度到达最优，术者可以经由过程调剂摄像机深度跟角度去取得须要的窥察区域跟缩小倍数。另外，成像体系下面借设置了外置窥察监视器、二氧化碳充气机、光源及摄像机。外置监视器的旌旗灯号来自两台摄像机中的一台，代表了左眼或许右眼的视觉。成像体系借包罗两个图象同步器跟一个聚焦控制器，以实现可控的高质量三维图象。

达芬奇手术机器人的事情流程

达芬奇外科手术体系要求正在病人身体开多达五个小型(小于1厘米)的瘦语，用于拔出两个手术机器手臂跟一个摄像头。安排正在病人床边的配套推车将手术器械挪动到病人身旁，病人床边会有外科手术助手正在。与此同时，大夫可以坐到房间的控制台去操作系统，外科医生经由过程对主控安装将外科医生的举措翻译并传送给机器手臂，机器臂依据指令停止手术，成像体系将手术场景停止反应。如斯外科医生用手捉住显示屏下方的主控安装，伎俩绝对其眼睛天然天举措，而外科医生的对主控安装的举措被转换成正在患者体内停止的正确的、及时的机械手臂动。由此经由过程外科医生的伎俩、脚跟手指的运动去节制主刀的机械手臂，那跟典范的开放式手术是一样的。

达芬奇手术机器人的要害核心技术

达芬奇手术机器人代表着现今手术机器人最高程度，它有三个要害核心技术：可自由运动的手臂腕部EndoWrist、3D高清影像技巧、主控台的人机交互计划。

1、机器手臂的腕部采取可能供给7个自由度的EndoWrist技巧，可以实现人手没法实现的举措，触及规模更广。体系存在振动消弭体系跟举措定标体系，可保障机器臂正在狭小的手术视线内停止正确的操纵。另外，机器臂借能实现一些人手没法实现的极为邃密的举措，手术瘦语也可以开得很小，从而缩短患者正在手术后规复的工夫。同时借可以进步手术服从，勤俭用度。

达芬奇手术系统集成了高端运动控制技术，如许机械手臂的每一个举措皆能像闇练的外科医生一样顺畅、精确---即使正在很缓的计算速度下。每一个达芬奇HD体系包括有30多个由马克森周详机电公司出产的机电。这些机电是每一个机器手臂的心脏。

马克森电动机为达芬奇体系供给输入跟输出，是其次要驱动。经由过程一系列反应节制，机电跟编码器吸收了来自大夫的输入旌旗灯号，正在颠末主控制台电路停止及时翻译后，将输出信号传送给机械手臂中的机电。机械手随之经由过程主控制台电路将力反向施加至外科医生的手中。

马克森机电的定子采取的是稀土磁铁，其定子采取的是无铁计划，如许即使正在低速运转的环境下也不会有磁性齿槽存在。

为划分它们的两重脚色，将外科医生的床旁推车所用的机电作为主控机电，机器手臂机电所用机电作为隶属机电。隶属机电的精度跟主控机电的精度不异，而且借须要能正在外科医生助手挪动末尾执行器就位时后向驱动。手术器械顶部的机电存在低迟滞性。

达芬奇体系中利用了30多个机电。马克森电动机是达芬奇系统核心机能特性实验的要害，这些焦点机能特性测试包罗摩擦、空隙跟兼容环境，和一系列传感器反应监测。

2、三维影像平台内装有外科手术机器人的焦点处理器和图像处理设备，可由巡回护士操纵。达芬奇手术体系的内窥镜可以造成三维平面图象，手术视线图象被缩小10~15倍，供给真实的16：9比例的全景三维图象。

3、主控台的计划充分考虑人机交互，供给了天然的脚-眼地位，恬逸的坐姿降低了手术大夫的疲劳感，保障长时间手术的畸形停止，内置的麦克风可能让手术中的相同加倍有效率。主刀大夫坐在控制台中，位于手术无菌区以外，利用双手节制两个主控制器，利用足节制脚踏板。控制系统中的运动比例缩放功用将使大夫手部的天然哆嗦或偶然的挪动减小到最小水平。

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以上关键技术中又以下列技巧模块最为焦点

1、机器人控制技术：机器人是手术机器人体系的焦点，它的作用有两个：一是按下令轨迹运动将装置正在其末尾的手术器械投递病灶面;二是按指令轨迹动员手术器械运动实现操纵使命。节制计算机正在吸收下令后依据规划系统供给的轨迹参数天生机器人运动指令，该指令经通讯体系发送给机器人的控制器，机器人正在该指令节制下实现指定的操纵。机器人的灵活操纵空间必需笼罩手术的操纵空间，以保障计划手术计划的实行。正在手术的门路拔取时，有时要求避开一些人体的紧张组织，要求机器人存在冗余特性，即机器人存在必然的避障才能。

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2、配准与空间映射技巧：空间映射是一系列坐标系间的变更关联，可以用齐次变更矩阵默示。当正在图象空间取得方针靶点跟手术门路信息后，经由过程空间映射关联可以正在机器人操纵空间中取得它们的描写。正在主从异构操作系统中，借存在一个由主机操纵空间到从机操纵空间的映射变更，该映射关联由遥操作系统的布局跟控制策略决意。

3、手术器械的位姿跟踪：手术器械的位姿跟踪是采取某种方式及时取得手术器械正在某一已知空间中的位姿。该位姿信息跟已知的手术器械尺寸信息，可用于扶引或手术监视系统。位姿旌旗灯号从机器人控制器取得，正在监视系统的三位患者模子上及时显现出手术器械的位姿，供给手术时地可视化监督功用。古代手术机器人普通采取光电式方式取得位姿信息。

达芬奇手术机器人的劣势跟缺乏

劣势

1.正在腔镜手术根底上加倍施展腔镜的劣势，去除利用腔镜的优势;

2.参加计算机的技巧可进步手术的操控性、精确性跟稳定性;

3.向术者供给了高清晰度三维图象并将手术家缩小了10—20倍;

4.翻新的腕部可自由举止的镜下手术器械可以使镜下手术器械完整重现人手举措从而到达手眼调和;

5.体系计划可消除主刀大夫能够的脚的哆嗦对手术所形成的晦气影响;

6.与开放手术的视觉同等使操作者手眼调和从而放慢了大夫学习历程;

7.为患者带来更幻想的手术成果，削减围手术期后遗症和并发症的产生;

8.创伤小、规复快而使可接管手术的患者岁数规模扩展并使某些危重病人接管手术成为能够;

缺乏

1、自身仍存在着必然的缺陷

触觉反应系统的缺失;手术机器人的器械臂流动当前，其操纵规模受限;整套设备的体积过于重大，装置、调试比较复杂;体系的技巧庞大，正在利用进程中能够产生各类机械故障，如半路死机等;体系的学习曲线较长，大夫与体系的共同须要长时间的磨合;手术前的筹备及手术中改换器械等操纵耗时较长等。

2、利用本钱高贵

①购买用度下，现阶段海内第三代四臂达芬奇手术机器人的整体购买用度正在2000万以上。

②二是手术本钱下，机器人手术中公用的操纵器械每用10次便需强制性改换，而改换一个操纵器械需破费约2000美圆。

③三是维修用度下，手术机器人需按期停止预防性维修，每一年维修保养用度也是一笔不小的开支。形成机器人手术利用本钱下的缘故原由平常被认为是其生产商经由过程收买竞争对手跟专利护卫等手腕正在那一范畴造成了把持而至，而那也成为制约手术机器人进一步开展的一个紧张缘故原由。

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