全球最先进的达芬奇手术机器人技术解析全文医疗电子

在1994的时候FredericMoll博士对这套系统非常感兴趣,当时他在SRI主任Guidant手下工作,他多次请求将“Lenny”(早期达芬奇机器人)商业化,以最大化它的价值,然而当时鲜有人看到这一点,大家都在忙着如何将它变得更酷一点。

达芬奇手术机器人是目前全球最成功及应用最广泛的手术机器人,广泛适用于普外科、泌尿科、心血管外科、胸外科、妇科、五官科、小儿外科等。达芬奇手术机器人在前列腺切除手术上应用最多,现在也已越来越多地应用于心脏瓣膜修复和妇科手术中。

工作方式及特点

工作方式:

外科医生控制台:主刀医生坐在控制台中,位于手术室无菌区之外,使用双手(通过操作两个主控制器)及脚(通过脚踏板)来控制器械和一个三维高清内窥镜。正如在立体目镜中看到的那样,手术器械尖端与外科医生的双手同步运动。

床旁机械臂系统:床旁机械臂系统(PatientCart)是外科手术机器人的操作部件,其主要功能是为器械臂和摄像臂提供支撑。助手医生在无菌区内的床旁机械臂系统边工作,负责更换器械和内窥镜,协助主刀医生完成手术。为了确保患者安全,助手医生比主刀医生对于床旁机械臂系统的运动具有更高优先控制权。

达芬奇手术机器人优缺点

优点

从术者角度:增加视野角度,减少手部颤动,机器人“内腕”较腹腔镜更为灵活,能以不同角度在靶器官周围操作,能够在有限狭窄空间工作;使术者在轻松工作环境工作,减少疲劳更集中精力;减少参加手术人员,提高效率,降低人力成本。

缺点

机器人做外科手术的成本比较高,每台医用机器人的最高成本200多万美元。全世界仅有少数医院可实施机器人手术,因此使机器人手术的成本不能大幅度降低。因此,手术费用明显比常规手术要高。

目前在中国批准上市的只有美国生产的达芬奇机器人手术系统,中国大陆、***和日本等也在加紧研制。

三个关键核心技术

达芬奇手术机器人代表着当今手术机器人最高水平,它有三个关键核心技术:可自由运动的手臂腕部EndoWrist、3D高清影像技术、主控台的人机交互设计。

三维影像平台内装有外科手术机器人的核心处理器以及图像处理设备,可由巡回护士操作。达芬奇手术系统的内窥镜可以形成三维立体图像,手术视野图像被放大10~15倍,提供真实的16:9比例的全景三维图像。

手术机器人系统的原理及关键技术

手术机器人系统典型结构示意图

大量的图像处理技术、定位配准技术、自动化与控制技术的应用实现了以上五个功能单元,而在众多技术中以下三个技术模块是最为关键:

2、导航与定位

在机器人系统中,自主导航是一项核心技术,是机器人研究领域的重点和难点问题。

3、路径规划

4、机器人视觉

视觉系统是自主机器人的重要组成部分,一般由摄像机、图像采集卡和计算机组成。机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的处理和分析、输出和显示,核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识。

5、智能控制

随着机器人技术的发展,对于无法精确解析建模的物理对象以及信息不足的病态过程,传统控制理论暴露出缺点,近年来许多学者提出了各种不同的机器人智能控制系统。

6、人机接口技术

智能机器人的研究目标并不是完全取代人,复杂的智能机器人系统仅仅依靠计算机来控制目前是有一定困难的,即使可以做到,也由于缺乏对环境的适应能力而并不实用。智能机器人系统还不能完全排斥人的作用,而是需要借助人机协调来实现系统控制。因此,设计良好的人机接口就成为智能机器人研究的重点问题之一。

国内手术机器人市场及现状

在美国的一些一流医院,机器人做微创手术的比例已经超过全院外科手术的50%,很多接受达芬奇手术的病人,因为伤口小,损伤小,恢复非常快可以做到手术后24小时出院。2007至2013年间美国有170万名病人进行了机器人手术。

目前在中国等新兴市场,由于装机数量的局限,手术渗透率还很低,截至2015年12月,分布在全国各地的几十台“达芬奇手术机器人”在去年共完成手术11445例,历年总计完成手术22917例。

国内医疗机器人市场蕴含巨大潜力。2010-2014年来全国医疗机构床位量以及住院人数年复增长率分别达到7.5%和9.6%,同时我国已步入老年化社会,老年人口数量年复增长率达到3.54%。此外我国因中风、外伤等导致丧失劳动力人口也在节节攀升。这些人群对微创、高效、优质的临床服务需求增加,巨大的市场需求将推动医疗机器人市场在我国得到快速发展。

由于目前外科手术机器人生产商的技术和市场垄断,使得手术机器人的购置费用高、手术成本高、维护费用高。这就直接导致我国医院手术机器人的普及率远低于欧美,也不及亚洲日、韩等近邻。目前,国内研究人员正在加紧研制各种手术机器人及其辅助设备、耗材。从长远看,当前的手术机器人技术和市场的垄断地位可能被打破,手术机器人使用成本的下降是必然趋势。

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