一种腹腔镜辅助持镜手术机器人的研发设计

张乔冶 浙江省人民医院临床医学工程部 （浙江 杭州 310014）

◎ 研究报告

一种腹腔镜辅助持镜手术机器人的研发设计

张乔冶 浙江省人民医院临床医学工程部 （浙江 杭州 310014）

腹腔镜手术是最为常见的微创外科手术，近些年来，以其创伤小、恢复快、安全可靠等临床优点而普遍地应用于各类外科手术中。与传统腹腔镜手术相比，腹腔镜辅助持镜手术机器人可以用于替代持镜医生的工作，能够去除图像抖动，为主刀医生提供清晰稳定的图像，并减小医生的工作强度，提高手术效率，降低手术风险。

手术机器人 腹腔镜手术 辅助持镜

微创手术治疗的优势得到了广大患者的认可，近年来，在微创手术的基础上，手术机器人的研发提高了手术的精度和可行性。腹腔镜机器人结合了腹腔镜手术技术和机器人技术，融合了众多学科[1-3]。目前，腹腔镜手术在我国中大城市已经广泛开展，但在腹腔镜辅助持镜手术机器人方面的研究尚处于起步阶段。在腹腔镜手术广泛开展地带动下，持镜手术机器人在中国基层县级医院市场的需求巨大，因此，研究腹腔镜手术辅助持镜机器人的整机设计制造具有重要的意义。

1.设计方案

1.1 总体功能概述

根据腹腔镜手术的临床技术要求对腹腔镜辅助持镜手术机器人进行研发设计，主要针对机器人的构造设计及相关功能开发，使其适用于腹腔镜手术中代替持镜医生的工作，由主刀医生自主控制腹腔镜的运动，为医生提供清晰稳定的术野图像，减小医生的工作强度、提高手术效率、降低手术风险。

腹腔镜辅助手术机器人操作过程如下，首先确定穿孔器“不定点”，移动推车并调节万向升降支架，使腹腔镜持镜机构的运动中心和穿孔点重合，将伸缩机构夹持住穿孔器并安装内窥镜，至此准备工作已完成。后续需要遥控操作腹腔镜调整视野，辅助主刀医生进行微创手术。手术完成后，取出腹腔镜，松开穿孔器，移开腹腔镜辅助手术机器人并关机。

腹腔镜辅助持镜手术机器人有如下优点：

安全性：采用了RCM（Remote Center of Motion）机构，保证机构末端始终绕某一固定点旋转或者移动，从结构上保证手术的安全性。

可靠性：其控制系统采用工业级运动控制器，采用Intel Atom E3825处理器，4轴运动控制，集成运算处理、控制、通信与人机显示等功能。

高精度：采用带编码器的高精度步进减速电机，周转角和仰俯角的精度可以达到12arcmin，伸缩机构的精度可以达到0.02mm。

稳定性：一般微创手术的时间短则2h、3h，多则达7h、8h，这么长的手术时间中，持镜医生需要一直掌控内窥镜，难免会有疲劳感，导致内窥镜输出图像不稳定，而采用机械臂就不存在这种问题。

1.2 总体设计布局

腹腔镜辅助持镜手术机器人主要由移动升降机构、摆位臂机构、末端腹腔镜自控机构三部分组成，如下图1所示，各部分简要介绍如下：①移动升降机构用于控制整个机器人扶持手臂的升降，精度高，运行平稳；②摆位臂机构为人工操作机构，自由关节采用掉电抱闸进行自锁功能，通过设置在机械臂上的开关按钮控制摆位臂停止和松开：当按下开关，摆位臂轴关节松开，操作人员可移动摆位臂位置，当松开按钮，摆位臂位置锁定，整个操作过程快速方便可靠，便于操作人员定位腹腔切点；③末端腹腔镜自控机构实现腹腔镜绕切点旋转运动以及腹腔镜深入腹部的深度控制。

1.3 工作原理介绍

设备电源接通时，开机完成初始化。当遇到断电时，设备可依靠UPS供电继续工作大于20min。

工作时，首先需要使用移动升降功能，调整镜头到高于手术开孔位置10cm的高度。通过手动方式调整摆位臂机构和末端腹腔镜自控机构，使镜头接近手术开孔位置附近。主刀医生完成穿孔后，将腹腔镜缓缓插入腹腔，该过程可通过遥控器操控镜体进入的方向、深度和速率，医生可用手转动镜体使镜头切面对准患处。

当镜体进入腹腔之后，通过遥控器改变镜体方向时，由机械设计决定了镜体旋转的支点就是腹腔穿孔位置。当插入深度固定时调整方向，镜头始终以穿孔位置作为球心，在腹腔内部做以深度为半径的球面运动，如图2所示。

2.讨论与展望

与开放性手术相比，腹腔镜手术具有创伤小，术后恢复快等特点，但在手术实施的过程中，容易出现以下情况：一是切入点的存在使腹腔镜形成杠杆作用的运动，当操作助手手臂向右旋转运动时，腹腔镜末梢会向左相应的运动；二是腹腔镜插入患者体内的长度大于规定的临界值，末端移动量会将动作放大，而长度小于临界值，则会缩小动作[5]；三是在变换手术视野时，手术操作者需要与持镜助手交流，若出现沟通失误，则会使腹腔镜误操作；四是持镜医生用手把持腹腔镜，若手术时间较长，手腕部疲劳会使腹腔镜输出图像失去稳定性。

图1. 腹腔镜辅助手术机器人整体布局图

图2. 腹腔镜运动示意图

相较于传统腹腔镜手术，腹腔镜辅助持镜手术机器人的应用可以增加手术图像传输的稳定性，提高图像质量，减少手术操作者的劳动强度，缩短手术时间，进而提高了手术质量。腹腔镜辅助持镜手术机器人的推广也可为我国广大的基层县级医院开展实施腹腔镜手术提供更多的选择，对基层县级医院而言，开展腹腔镜手术不再需要配备持镜医生，降低人力成本，符合未来外科手术发展的必然趋势。

[1] 吕平,刘芳,戚昭恩.腹腔镜外科百年发展史[J].中华医史杂志,2001,31(4):218.

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[5] 陈英耀,厉传琳,葛智馨,等.手术机器人技术的安全性和有效性评估[J].中国卫生质量管理,2010,17(6):43-46.

[6] 王伟,王伟东,闫志远,等.腹腔镜外科手术机器人发展概况综述[J].中国医疗设备,2014,29(8):5-10,35.

Design and Implementation of a Laparoscope Assisted Robotic Surgery Robot

ZHANG Qiao-ye Department of Clinical Engineering, Zhejiang Provincial Peopleʼs Hospital (Zhejiang Hangzhou 310014)

1006-6586(2017)15-0011-02

R197.39

A

2017-06-20