外科手術機器人是近年來一項非常成功的醫療器械科技成果，是集臨床醫學、生物力學、機械學、材料學、計算機科學、微電子學、機電一體化等諸多學科為一體的新型醫療器械，屬於比醫用外科口罩風險管理要求更高的III類醫療器械。
外科手術機器人因何能用於外科手術，幫助臨床醫學解決了哪些問題，其中有什麼關鍵技術？福祉君就以世界上最先進的外科手術機器人達芬奇（Da Vinci）為例，帶您一探究竟。
達芬奇機器人微創外科手術系統
達芬奇外科手術機器人是世界範圍應用廣泛的一種智能化手術平臺，2000年獲得美國食品與藥品監督管理局(FDA)批准，成為進入臨床外科的智能內窺鏡微創手術系統。
圖：達芬奇手術機器人的三個主要部件 圖片來源：[2]
事實上，手術機器人並不能自己做手術，而是外科醫生使用操作控制檯的手柄來完成達·芬奇的手術。相比於人們對"機器人"的刻板印象，達·芬奇更像是一個沉浸式的有與現實交互的VR系統，可以將高分辨率的放大3D視覺反饋和力反饋與人的操作構成迴環。讓操縱者彷彿身臨其境，感受更加細節的視角，在更小的空間內對手術對象進行微創操作。達·芬奇系統可以實時轉換你的外科醫生在操作檯上的手部動作，在操作過程中彎曲和旋轉儀器。這些小小的腕式儀器像人手一樣移動，但移動範圍更大。
圖：達芬奇機器人操作手術示意 圖片來源：[1]
總的來說，達芬奇手術機器人可以增加視野角度；減少手部顫動，機器人"內腕"較腹腔鏡更為靈活，能以不同角度在靶器官周圍操作；較人手小，能夠在有限狹窄空間工作；使術者在輕鬆工作環境工作，減少疲勞更集中精力；減少參加手術人員。
圖：達芬奇通過細窄的瓶口縫合一顆葡萄的表皮 圖片來源：YouTube
對於患者來說，手術操作可以更精確，與腹腔鏡(二維視覺)相比，因三維視覺可放大10-15倍，使手術精確度大大增加，術後恢復快，癒合好。除此之外，還可以減少術後疼痛；縮短住院時間；減少失血量；減少術中的組織創傷和炎性反應導致的術後粘連。
關鍵技術——力控制及力反饋
1、達芬奇的力反饋腕手
外科手術主刀醫生最愛護的就是自己的手，因為雙手集合了術者多年的"手感"，換言之，在外科手術中，感知和操作同樣重要。那麼如何將器械末端的傳遞迴操縱者手裡，並且能同時精準跟蹤人手的動作，將力傳感器的反饋和視覺的反饋相結合，是此類機器人最核心的技術之一。
圖：具有多達7個自由度的EndoWrist末端 圖片來源：[4]
由於末端機械結構靠電機牽拉鋼絲驅動，而執行器末端的六維力直接通過多個關節和腹壁外機械空心軸傳遞，因此產生了多種力反饋的方案。
圖：美國卓克索大學Gtholey等人研究的直接在機械軸臂上裝貼傳感器的方案 圖片來源：[3]
圖：德國宇航Seibold等人提出的末端六維力傳感器反饋方案 圖片來源：[3]
還有很多不用應變片當傳感器件的力檢測方法，大多是用光纖、光電子元件等其他技術手段檢測形變從而實現力檢測。利用光纖作為傳感器件的方式解決了傳統應變片式傳感器在電磁環境中容易產生干擾信號的問題，並且具有較高的測量精度。
圖：英國倫敦王學院的 Panagioyis等人設計使用光纖作為形變傳感器件三維傳感器 圖片來源：[3]
除此之外，還有諸多無傳感器力檢測的相關研究，主要通過視覺和智能算法計算出末端的受力情況。這類力檢測方案更適合微創手術的無菌、化學、電磁環境。
為了方便大家更直觀的瞭解達芬奇手術機器人，戳下面視頻：
參考文獻：
[2]About Da Vinci Systems
[3] 黃佳清. 手術機器人的夾持力檢測及其反饋控制研究[D].哈爾濱工業大學,2019.
[4] da Vinci® Surgery - How It Works
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