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#01 “重返自然”

叱咤風(fēng)云二十年的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人，在設(shè)計(jì)之初就遵循著這樣的理念：

讓醫(yī)生在微創(chuàng)手術(shù)中擁有開放手術(shù)的操作體驗(yàn)。

在腹腔鏡出現(xiàn)之前，開放手術(shù)創(chuàng)傷大，但器械操作自然；

腹腔鏡手術(shù)出現(xiàn)后，減小了創(chuàng)口，卻帶來了反直覺的操作方式——以腹壁為支點(diǎn)，器械的運(yùn)動方向與手的運(yùn)動方向相反。

創(chuàng)傷小和直覺式操作，仿佛魚與熊掌，一時不可兼得。

而達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的出現(xiàn)，打破了僵局，實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)，同時操作又自然——“既要又要”。

#02 微創(chuàng)下，還原開放的手術(shù)體驗(yàn)

要還原開放手術(shù)的操作體驗(yàn)，一是3D圖像，二是直覺式操作。

要實(shí)現(xiàn)“直覺式操作”，除了主從映射的延時小，更重要的是手和器械末端的運(yùn)動方向相對圖像保持一致。

打個比方，當(dāng)我們使用鼠標(biāo)時，鼠標(biāo)往一個方向移動，光標(biāo)也會在屏幕上往同一方向移動。運(yùn)動方向是在坐標(biāo)系中確定的，鼠標(biāo)以自身為坐標(biāo)系，光標(biāo)以屏幕為坐標(biāo)系，兩者都只在平面上運(yùn)動，因此只有X軸和Y軸。日常使用中，鼠標(biāo)是正對屏幕的，鼠標(biāo)坐標(biāo)系的X軸和屏幕坐標(biāo)系的X軸近似平行且同向，所以當(dāng)鼠標(biāo)相對屏幕往右移動時，光標(biāo)也會往右移動。

如此一來，人腦可以很容易地建立起兩者之間的映射關(guān)系，幾乎沒有學(xué)習(xí)曲線。當(dāng)X軸的映射關(guān)系建立起來之后，即使鼠標(biāo)的Y軸在水平方向，屏幕的Y軸在垂直方向，其映射關(guān)系也能附帶地建立起來。如果將鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)90°或180°，那么當(dāng)鼠標(biāo)相對屏幕往右移動時，光標(biāo)卻會往上或往左移動，這種映射關(guān)系就相當(dāng)反直覺了，人腦學(xué)習(xí)起來很費(fèi)勁，而且容易出錯。

手術(shù)機(jī)器人的“直覺式操作”，其原理也是相近的（不同之處在于，手術(shù)機(jī)器人的主手和從手是在三維空間中運(yùn)動的，且主手和從手同時有位置信息和姿態(tài)信息），一言以蔽之：

主手末端在顯示器圖像坐標(biāo)系中的運(yùn)動方向和姿態(tài)，需與器械末端在內(nèi)窺鏡末端坐標(biāo)系中的運(yùn)動方向和姿態(tài)，保持一致。

主手和顯示器都在醫(yī)生控制臺上，主手末端的位姿在其基座坐標(biāo)系中是已知的，主手基座坐標(biāo)系相對顯示器圖像坐標(biāo)系中的位姿也是已知的，那么主手末端在顯示器圖像坐標(biāo)系下的位姿就是可知的。

▲來源：采用機(jī)器人技術(shù)的輔助手術(shù)設(shè)備和輔助手術(shù)系統(tǒng)，

YY/T 1712-2021

至于從手端，器械和內(nèi)窺鏡分別安裝在不同機(jī)械臂上，不妨將器械和內(nèi)窺鏡與各自的機(jī)械臂視為一個整體，內(nèi)窺鏡末端坐標(biāo)系可通過其關(guān)節(jié)參數(shù)和其機(jī)械臂的基座坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換而來，想知道器械末端在內(nèi)窺鏡末端坐標(biāo)系中的位姿，關(guān)鍵在于安裝器械的機(jī)械臂基座坐標(biāo)系相對安裝內(nèi)窺鏡的機(jī)械臂基座坐標(biāo)系的位姿。

對于達(dá)芬奇這樣的一體式機(jī)器人而言，所有機(jī)械臂都集成在一個吊桿裝置上的，不同機(jī)械臂的基座坐標(biāo)系之間的相對位姿是確定的，那么器械末端在內(nèi)窺鏡末端坐標(biāo)系中的位姿就是可知的。當(dāng)主手方面和從手方面都是可知的，自然可以保持兩者的運(yùn)動方向和姿態(tài)一致。

#03 機(jī)器臂分屬獨(dú)立臺車的分體式

不過，手術(shù)機(jī)器人既有達(dá)芬奇的一體式結(jié)構(gòu)，也有美敦力Hugo、Asensus Surgical的Senhance、CMR的Versius這樣的分體式結(jié)構(gòu)。

所謂“分體式”，就是各個機(jī)械臂皆有獨(dú)立的臺車，手術(shù)時擺放在手術(shù)床旁的不同位置上。如此一來，不同機(jī)械臂的基座坐標(biāo)系之間的相對位姿就不是已知的，器械末端在內(nèi)窺鏡末端坐標(biāo)系中的位姿便不可知，最終主手末端和器械末端相對圖像的同步運(yùn)動就無從談起了。

要解決這個問題，可以對分體式機(jī)器人的各個機(jī)械臂臺車進(jìn)行定位，例如通過光學(xué)定位系統(tǒng)。但這樣做，一來增加了成本，二來也不方便使用?；蛟S，進(jìn)一步剖析這個問題本身能夠帶來不一樣的視野。

▲術(shù)銳單孔機(jī)器人早期采用分體式結(jié)構(gòu)時，

便疑似使用了光學(xué)定位系統(tǒng)

首先，要使運(yùn)動方向保持一致，理論上只需要考慮位置的增量，而不需要知道每個時刻的絕對位置。我們需要機(jī)械臂的絕對位置，往往是在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，目標(biāo)的位置是確定的，機(jī)械臂只需要知道自己的位置，就能確定自己與目標(biāo)的相對位置，從而實(shí)現(xiàn)自動操作。但人體腹腔內(nèi)的環(huán)境顯然是非結(jié)構(gòu)化的，腔鏡機(jī)器人因而是一種主從控制機(jī)器人，機(jī)械臂必須根據(jù)操控者的指令行動，操控者則通過實(shí)時圖像觀察機(jī)械臂和目標(biāo)之間的位置關(guān)系并做出決策，此時可將操作者本身視為一種視覺算法。

如果只需要考慮器械末端在內(nèi)窺鏡末端坐標(biāo)系中的位置增量，那就不需要知道兩者的機(jī)械臂基座坐標(biāo)系之間的相對位置，而只需要知道它們的相對姿態(tài)就夠了。由于機(jī)械臂臺車都是放置在同一個水平面上的，那么我們實(shí)際需要知道的其實(shí)就是安裝器械的機(jī)械臂臺車和安裝內(nèi)窺鏡的機(jī)械臂臺車之間的相對角度即可。

這樣一來，光學(xué)定位系統(tǒng)測量的信息可能是冗余的。那么相對簡單的辦法是什么？不妨先看看美敦力Hugo RAS的解決方案。

首先，在Hugo RAS的每個機(jī)械臂的“定位部分”（此部分在術(shù)前擺位完成后即固定不動）的末端上都有一個“激光對齊裝置”，其作用即在于測量出機(jī)械臂和手術(shù)床之間的相對角度，其使用步驟如下：

▲Hugo機(jī)械臂臺車編號10處即“激光對齊裝置”的所在

（圖片來源：Hugo  RAS說明書，下同）

1. 機(jī)械臂臺車鎖定之后，臺車上的激光對齊裝置將會打開，并向地面投射出一條包含紅色和綠色的激光線。

2. 轉(zhuǎn)動激光校準(zhǔn)旋鈕，直到激光線與手術(shù)床的長邊平行。綠色激光應(yīng)指向病人的頭部，紅色激光應(yīng)指向病人的腳部。

3. 當(dāng)激光線與手術(shù)床的長邊平行時，按下旋鈕上的按鈕，以確認(rèn)對齊。此時機(jī)械臂與手術(shù)床的相對角度將會顯示在機(jī)械臂臺車的顯示屏上。當(dāng)機(jī)械臂的位置被調(diào)整時，此相對角度也會實(shí)時更新。

4. 按住機(jī)械臂上的位置調(diào)整按鈕，移動機(jī)械臂，使得機(jī)械臂顯示屏上的相對角度和擺位指導(dǎo)中的相對角度一致為止。

▲Hugo前列腺切除術(shù)的擺位指導(dǎo)

以上不難看出Hugo RAS實(shí)現(xiàn)分體式機(jī)器人“直覺式操作”的方法就是通過相對角度來確定運(yùn)動方向，不過其巧妙之處在于利用手術(shù)床作為媒介，分別測量每個機(jī)械臂和手術(shù)床長邊之間的相對角度，從而得知各個器械機(jī)械臂和內(nèi)窺鏡機(jī)械臂之間的相對角度，最終得到器械末端在內(nèi)窺鏡末端坐標(biāo)系中的運(yùn)動方向和姿態(tài)信息。

需要注意的是，雖然這種方案不需要知道機(jī)械臂的絕對位置，但這不意味著機(jī)械臂臺車可以隨意擺放。因?yàn)闄C(jī)械臂有工作空間，為了使其工作空間更好地匹配手術(shù)區(qū)域，Hugo RAS建議其機(jī)械臂臺車應(yīng)擺放在距離手術(shù)床45-60cm處。同時，機(jī)械臂與手術(shù)床的相對角度容許一定的誤差，只要在擺位指導(dǎo)角度的±5°范圍內(nèi)即可。

為了使機(jī)械臂的擺位更加高效且合理，美敦力應(yīng)該會為每種機(jī)器人術(shù)式都提供擺位指導(dǎo)，包含每個機(jī)械臂的相對角度。官方指導(dǎo)的目的在于減少機(jī)械臂之間的碰撞和優(yōu)化機(jī)械臂的工作空間，不過這種指導(dǎo)本身也會限制機(jī)械臂擺位的靈活性（畢竟分體式機(jī)器人的主要宣傳點(diǎn)之一就是擺位的靈活性，如果一定要遵循固定的角度，那么最終可能并不比一體式靈活多少）。

除了大名鼎鼎的美敦力之外，分體式機(jī)器人還有一位引人注目的選手：

CMR Surgical公司的Versius。

相比Hugo RAS，Versius的特點(diǎn)在于其機(jī)械臂臺車特別小巧，占地面積僅為38cm*38cm。

▲Versius機(jī)械臂臺車

那么，Versius又是如何解決分體式機(jī)器人的共同難題的呢？很遺憾，目前公開渠道沒有確切的答案，僅有兩個線索可供參考：

1. Versius在其專利中提到一種“表征機(jī)器人環(huán)境”的方法，其原理是用第一機(jī)械臂末端去接觸其環(huán)境中的目標(biāo)（比如第二機(jī)械臂臺車）上的兩個標(biāo)記處，以此計(jì)算出環(huán)境目標(biāo)相對第一機(jī)械臂的距離和方向。

2. CMR Surgical官方發(fā)布的Versius手術(shù)視頻中，各個機(jī)械臂臺車的擺放布局都有一個共同的特點(diǎn)，就是機(jī)械臂臺車的正面與手術(shù)床的長邊平行（以插線面為背面）。

▲Versius機(jī)械臂擺位示意圖

筆者推測，Versius有可能利用其機(jī)械臂臺車橫截面接近正方形的特點(diǎn)，使機(jī)械臂臺車的正面與手術(shù)床的長邊平行，同時在系統(tǒng)中設(shè)定機(jī)該臺車位于手術(shù)床的左邊還是右邊。當(dāng)器械臺車和內(nèi)窺鏡臺車同邊時，兩者的基座坐標(biāo)系平行，當(dāng)兩者異邊時，器械臺車坐標(biāo)系相對內(nèi)窺鏡臺車坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)了180°。

至于如何使臺車正面與手術(shù)床平行，答案可能比想象的要簡單，比如人眼觀測、模具對齊等。Hugo RAS其實(shí)也沒有明確說明如何確定激光線和手術(shù)床是否平行，可能也是通過人眼觀測的。那么人眼觀測的誤差如何解決？筆者認(rèn)為，大腦本身有一定的適應(yīng)性。當(dāng)我們使用鼠標(biāo)時，鼠標(biāo)不可能百分百正對屏幕，但并不影響我們使用。器械末端在圖像中的運(yùn)動方向也是一樣，也許只要角度誤差在一定范圍內(nèi)，大腦自身就可以修正。

最后要說的是，除了國外的分體式機(jī)器人，值得注意的還有一家成立于2019年的國產(chǎn)手術(shù)機(jī)器人公司瑞龍諾賦，其在專利文件中也曾對分體式機(jī)器人的機(jī)械臂定位問題表達(dá)過不錯的觀點(diǎn)，且因此申請了兩種解決方案的專利。感興趣的讀者可以自行查找閱讀，筆者不過多贅述。