一種新型單臂單孔微創腹腔鏡手術機器人系統

【作 者】 王家寅，姜乃晶，趙亞平，別良偉，陳亮亮，張齊銘，朱祥，何超

1 上海微創醫療機器人（集團）股份有限公司，上海市，200031

2 同濟大學 電子信息工程學院，上海市，201804

0 引言

20世紀80年代，微創外科手術逐漸興起。相較于傳統手術，該術式僅需幾個小型切口，通過在切口內插入內窺鏡與腔鏡手術工具完成手術，具有恢復速度快、術中出血少、減少術后并發癥的優勢[1]。然而，微創外科手術對術者的操作要求高，增加了學習成本與手術風險。為此，使用機器人遙操作進行手術的方式應運而生。1999年，美國直覺外科（Intuitive Surgical）公司研發的Da Vinci多孔手術機器人IS1000面世。截至2022年2月，該系列已推出五代產品，在全球67個國家裝機量超6730臺，涵蓋普外科、泌尿外科、心血管外科、胸外科、婦產科、五官科等多種手術術式[2]。繼其成功商業化后，單孔手術因創傷小、失血少、恢復快的優點，成為新時代外科微創手術機器人的攻堅方向[3-6]。

早期的單孔機器人主要采用多臂單孔的形式[7-10]。手術一般是在Da Vinci Si系統或X i 系統的基礎上，通過 筷子法 器械布局，使用單孔穿刺器執行單孔機器人手術。圖1(a)～(c)分別展示了這種方案的器械布局、穿刺器和手術系統。然而，這種方案存在諸多缺點：①儀器的插入角度使得手腕關節的活動范圍受限；②多臂之間擁擠的布局加大了各臂相互碰撞的可能性，降低了手術的安全性和流暢度；③多臂在單孔的展開空間需求較大，助手醫生難以執行輔助操作。Da Vinci single site手術系統在一定程度上解決了上述問題，如圖1(d)所示。在該系統中，操作臂的數量減少為3臂，使用圖1(e)中的穿刺器進行單孔手術[11]。該穿刺器的最大特點是呈現彎曲狀結構，通過插入特制的半剛（semi-rigid）器械實現腕部關節可動的增強。然而，雖然減少1條操作臂緩解了臂碰撞與助手醫生難以操作的問題，卻限制了可用的術式。同時，半剛器械的引入雖然緩解了腕部關節可動的局限性，但降低了器械的整體剛度，使得術中的操作準確性降低。為了從根源上解除上述問題，需要使用單臂單孔的部署方案，如圖1(f)所示的Da Vinci single port（SP）系統。在該系統中，配備了具有肘關節和腕關節的器械，共4個器械臂，對單孔手術進行了有針對性的設計。從系統的發展來看，機器人單孔手術正逐漸從多臂單孔向單臂單孔發展。作為單臂單孔系統代表的Da Vinci SP系統在該領域處于壟斷地位，其高昂的售價限制了它的廣泛應用，目前尚未進入我國市場，僅在北京301醫院有1臺試用樣機[12]。

圖1 單孔手術機器人Fig.1 Single port surgical robots

除高昂的價格，Da Vinci SP系統也存在諸多不足[13]：①通過絲傳動構造調整臂不動點，需要定期拆機維護，以防止絲傳動機構的松脫；②內窺鏡采用柔性設計，不支持剛性內窺鏡，經過消殺后只能使用數十次，進一步增加了使用成本；③控制精度需要進一步提升；④力反饋技術尚不成熟。隨著機器人單孔手術需求的逐漸增加，亟須具有自主知識產權的國產單臂單孔手術機器人對以上幾項問題進行突破與改進。我們設計了一種新型單臂單孔微創腹腔鏡手術機器人系統。在硬件上，它通過C形臂實現了不動點，避免了頻繁的定期拆機維護；除柔性內窺鏡外也支持剛性內窺鏡，顯著降低了器械耗材成本。在控制系統上，通過修正器械控制參數實現了高精度控制；通過電機輸出力矩對器械受到的外力進行估計，結合器械邊界力反饋和運動速度，實現力反饋功能。

1 新型單臂單孔微創腹腔鏡手術機器人系統

新型單臂單孔微創腹腔鏡手術機器人系統由醫生控制臺、圖像臺車和患者臺車組成，如圖2所示。術中，術者依據圖像臺車傳輸的影像，通過操作醫生控制臺處的主控制臂以遙操作的方式控制患者臺車處的器械。

圖2 新型單臂單孔微創腹腔鏡手術機器人系統Fig.2 A single-arm single-port micro-traumatic laparoscopic robotic surgical system

醫生控制臺是內窺鏡手術系統的控制中心，主要由主控制臂、腳踏開關、立體監視器3個部分組成。一個醫生控制臺安裝有2個主控制臂，分別接收操作者左手和右手的操作信號。術中，醫生控制臺的術者坐在無菌區域外，通過操作主控制臂末端的控制手柄來控制器械工具臂、手術器械和三維電子彎管內窺鏡。臺車上安裝的腳踏開關可幫助術者完成電切、電凝等電外科設備的相關操作控制。立體監視器是術者觀察病灶及手術器械在患者體內運動的最主要的裝置，術者頭部須進入立體監視器的觀察窗位置，并且通過2個視窗的目鏡進行圖像觀察。立體監視器通過立體成像原理設計成像光路，使得術者通過觀察窗上的2個觀察孔觀看到的圖像呈立體效果。

圖像臺車將三維電子內窺鏡采集的圖像傳送至醫生控制臺立體成像儀中，使術者在手術過程中能夠看到患者體內的立體圖像，同時圖像也會在圖像臺車的頂部顯示屏上顯示，以方便床邊助手對內窺鏡影像進行查看。

患者臺車是腹腔內窺鏡手術系統位于患者手術床邊的直接操作子系統。擁有4條平行布置的器械臂，其中1條臂須使用內窺鏡，另外3條臂可使用不同的手術器械。4條器械臂可通過調整臂進行整體調整。調整臂共有6個自由度，其中遠離基座的3個自由度均為轉動自由度，三軸軸線重合于不動點?？拷?個自由度可以調整不動點的位置。

1.1 調整臂

我們設計的新型單臂單孔微創腹腔鏡手術機器人系統的4條操作臂均掛載在一較小的C形臂（簡稱小C）上，小C掛載在一較大的C形臂上（簡稱大C），大C通過一旋轉關節與臺車支座相連，該關節稱為懸吊關節。其中，懸吊關節軸線、大C軸線和小C軸線相交于一點，該點稱為不動點，如圖3所示。不動點的位置由調整臂的3個關節控制，其中不動點的高度由圖3中紅色伸縮關節調整，不動點在水平面投影的位置由圖3中綠色旋轉關節和藍色伸縮關節共同決定。術前，可以通過示教操作，移動不動點的位置，使不動點與穿刺器重合，將穿刺器與患者臺車連接后即可開始手術。術中，不動點位置調整關節固定不動，通過懸吊關節、大C關節和小C關節的位置變化可改變4條器械臂的整體朝向，調整操作空間。值得注意的是，本系統通過大C和小C實現了機械不動點，相較于Da Vinci SP系統，使用絲纏繞驅動的方式具有更高的剛性與更可靠的機械傳動方式，有效避免了驅動絲需要經常拆機維護的弊端，實現了機械結構的改進。

圖3 不動點及調整臂位置關節調整示意Fig.3 Remote center of motion (RCM) and position adjust joints

1.2 器械

工具器械具有5+1個自由度，如圖4所示。本器械配備有肘關節與腕關節，其中肘關節由兩自由度平行關節實現，腕關節由俯仰偏擺關節實現，自轉關節配置在器械末端，如圖4(a)所示。器械的平行關節可以在伸出穿刺器套筒后執行擴張操作，避免單孔手術中出現的直線視野和器械可動范圍不足的情況，如圖4(b)所示。通過平行關節、俯仰偏擺關節和自轉關節的控制，配合器械沿操作臂滑軌的整體運動，可實現器械末端的6自由度控制。除特殊器械外，一般在末端配備有開合關節。我們設計的單臂單孔手術機器人系統除支持使用常規柔性內窺鏡外也支持使用剛性內窺鏡。其中柔性內窺鏡用于在術中通過主從的方式調整視野，其肘關節由兩自由度平行關節實現，腕關節由俯仰偏擺關節實現，與工具器械不同，柔性內窺鏡無自轉關節，如圖4(d)、圖4(e)所示。依靠器械關節可大范圍靈活運動的特性，本系統支持配合使用30e 剛性內窺鏡完成手術。剛性內窺鏡如圖4(f)所示，術中擺位示意如圖5所示。在Da Vinci SP系統中，因其關節展開角度較小，僅支持使用絲傳動柔性內窺鏡以避免術中出現視野遮擋的情況。由于使用絲傳動，其允許使用次數將顯著低于剛性內窺鏡，造成手術費用進一步上漲。本系統可通過柔性內窺鏡的運動來調整視野，在使用剛性內窺鏡時可通過懸吊關節、大C和小C的配合運動來調整視野。

圖4 器械運動和內窺鏡示意Fig.4 Motion illustration of the robotic instrument and the endoscopes

圖5 使用剛性內窺鏡進行單孔手術示意Fig.5 Configuration example of the robotic instruments in the single-port surgery when using the rigid endoscope

2 控制系統

系統的控制框架如圖6所示。圖中有3條主要鏈路：一是運動控制鏈路，由醫生操縱主控制臂，主控制臂末端的運動信息通過比例映射，得到器械末端的運動控制量，從而實現遙操作主從控制；二是力反饋鏈路，器械通過力反饋模塊得到主控制臂末端的虛擬反饋力，基于虛功原理由主控制臂各關節輸出力矩進行等效，實現器械力反饋；三是圖像鏈路，醫生將收到由內窺鏡實時傳輸的高清三維立體影像。在運動控制鏈路，通過引入非線性修正量實現器械的高精度控制，在力反饋鏈路中通過引入多模態仿真機制實現力反饋保護技術。

圖6 系統控制框架Fig.6 System control framework

2.1 器械高精度控制

在器械的運動學建模中，通常使用四參數關節建模方法，即通過軸轉角偏置α、桿長a、軸位置偏置d、轉角θ對桿件的幾何位置關系進行描述。然而，在這種建模方式中，參數往往被視為常數，由設計值決定。在本系統中，參數被假設為轉角的非線性量，并通過設計參數對非線性修正量進行預標定，其坐標轉換矩陣如式(1)所示。

為了從理論上分析這種建模方法的優勢，假設桿長設計值為l，桿長測量值服從（1f 0.5%）l區間內的均勻分布，關節角服從最大可動區間內的均勻分布，使用蒙特卡羅法隨機生成10000組桿長實際值與關節角數據，得到誤差分布如圖7所示。對于每組隨機生成的桿長測量值與關節角數據，可計算出末端參考點基于不同運動學模型的位置；同理，基于桿長設計值，可計算出末端參考點的理論位置。通過計算末端參考點位置與其理論位置的誤差，可以得到該末端參考點理論位置處的定位誤差。圖7(a)中點云位置為末端參考點的理論位置，點云顏色為使用標準四參數關節建模得到的定位誤差。在圖7(b)中點云位置與圖7(a)一致，不同之處在于，點云顏色為非線性參數建模得到的定位誤差。其中藍色表示定位誤差小，黃色表示定位誤差大。從點云定位誤差分布中可以看出，非線性參數建模方法具有全局更小的定位誤差，在理論上體現了該建模方法的優勢。將所得點云結果匯總分析后，得到2種方法的統計量如表1所示，其中所使用的運動學建模方法比傳統建模方法在理論上提升絕對定位精度約0.58 mm，提升率約78.0%，且定位誤差具有極低的標準差。

圖7 定位誤差點云圖Fig.7 Positioning error point cloud map

表1 使用不同運動學模型計算的定位誤差平均值和定位誤差標準差Tab.1 Mean positioning error and the standard positioning error deviation derived by different kinematics models

2.2 力反饋保護技術

系統的力反饋控制指在遙操作控制的基礎上，將手術器械的信息通過力的方式由主操作臂反饋給術者，實現多維感知同步。

力反饋模塊實現了2種功能：一是當器械接近硬件邊界時，力反饋模塊會計算器械末端虛擬力，虛擬力將阻止關節繼續朝邊界運動；二是當器械不處于邊界且處于準靜態時，力反饋模塊會計算器械末端實際接觸力，計算原理見式(2)[14]：

式中：qs為患者臺車關節位置；τ為從端關節力矩；J為系統的雅可比矩陣；F為器械末端的接觸力；M為質量矩陣；C為科氏力矩陣；G為重力向量；f為干擾項。

即通過重力項和干擾項的辨識獲得器械末端的接觸力。

通過以上方式，可計算出2種功能下器械末端的受力，輸出到控制力輸出模塊后，器械末端受力信號經過濾波與增益放縮后，可獲得主控制臂的末端反饋力?；谔摴υ?，可獲得主控制臂的關節控制力矩，實現力反饋。

3 臨床試驗

為驗證新型單臂單孔微創腹腔鏡手術機器人系統的臨床適用性，開展了膽囊切除臨床試驗10例。手術均正常完成，無并發癥發生，手術數據如表2所示。圖8(a)為本手術機器人系統執行膽囊切除手術時的照片，患者處于平臥位，經臍孔正中小切口進入腹腔，術后切口縫合后如圖8(b)所示，10例手術統計數據如表2所示。由圖8可知，手術機器人調整臂運行正常，在術中全程使用剛性內窺鏡，避免了探查后鏡頭的更換，降低了手術成本，驗證了剛性內窺鏡在單孔系統中的可行性。術者反饋術前調整臂擺位方便易操作，術中器械定位精準，主控制臂遙操作過程中操控感舒適，器械可靈活自由地完成指令操作，基于調整臂運動的視野調整功能符合直觀操作習慣，易于掌握，術后患者縫合傷口小、出血量少，顯著低于傳統膽囊切除手術，具有臨床創新實踐價值。從表2可知手術中的實際切除時間隨著術者使用次數的增長顯著下降，初步驗證了本手術機器人系統可以加快醫生手術操作的學習曲線，對臨床的醫師培訓起到了積極作用。由表2可得10例臨床手術的平均手術切除時長為32.6 min，平均出血量約為5 mL。在文獻[15]中，使用Da Vinci single site系統進行的5例膽囊切除臨床手術的平均時長為53.4 min，平均出血量為20 mL。故使用單臂單孔構型的本系統在平均手術時長與平均出血量均顯著優于使用多臂單孔構型的Da Vinci single site系統，驗證了單臂單孔構型更適用于單孔手術，提升了臨床應用價值。

圖8 本手術機器系統臨床應用Fig.8 Clinical application of proposed robotic surgical system

4 總結

單孔手術因其創傷小、失血少、恢復快的優點在臨床上廣泛應用，單孔腹腔鏡手術機器人的開發日益受到重視，在技術迭代過程中正從多臂單孔構型轉變為單臂單孔構型。本系統提出的系統具有以下幾項優勢：①不動點的構造通過懸吊關節、大C關節和小C關節實現，具有更高的剛性與可靠性，提高了手術的安全性，降低了日常的維護成本；②手術器械具有更大的關節運動角度，除柔性內窺鏡外也支持使用剛性內窺鏡，顯著降低了手術耗材成本；③改進傳統標準四參數運動學建模方法，引入非線性參數，本運動學算法相較傳統方法可大幅提升理論絕對定位精度，保障了系統對手術器械的高精度控制；④反饋力分為2種模式，更便于醫生的操作，增強醫生的 臨場感”。以上特性在臨床膽囊切除術中得到了充分驗證。綜上，設計新型機器人奠定了具有核心自主知識產權的國產腔鏡手術機器人在臨床應用的堅實基礎，具有重要的臨床應用價值。