达芬奇手术机器人维修案例分析

黄芳琳，朱锋杰（通信作者），徐彪，张鞠成，褚永华

浙江大学医学院附属第二医院 （浙江 杭州 310009）

手术的微创化、精准化已成为外科学发展的必然趋势。目前主流的腹腔镜手术仍然存在手术器械转动角度小、手术视野盲区大、精确度低等缺点[1]。手术机器人的应用，在一定程度上克服了传统腹腔镜的限制，既提高了手术器械的灵活性，又提升了手术操作的精准性，还扩大了手术视野。这或许预示着外科手术信息化处理时代的开始和第三代外科手术时代的到来。

据达芬奇公司统计，目前浙江省共有18 台达芬奇手术机器人，其中省级三甲医院配有15 台（第三代4 台，第四代11 台），市级三甲医院2 台（第四代），私立医院1 台（第四代）。达芬奇手术机器人作为第三类医疗器械管理，具有较高的固有风险和使用风险。美国急救医学研究所（Emergency Care Research Institute ，ECRI）发布的《2020 年十大医疗技术安全隐患》指出，未完成风险评估和分析而执行机器人手术操作，可能导致非预期的后遗症等严重手术事故[2]。2022 年，浙江省85%以上的达芬奇手术机器人设备购买了保修服务。尽管如此，机器人发生故障时，正确分析故障类型和原因，不仅可以缩短维修周期，对后续检修也具有重要意义。

1 达芬奇手术室机器人的构成与工作原理

如图1 所示，达芬奇手术机器人由三部分组成：医师控制系统（医师操作台）、床旁机械臂控制系统和成像系统（影像平台车）[3]。一般来说，主刀医师在医师操作台上操作，系统将医师的操作动作精准传递至机械臂，转化为机械臂末端器械在患者体腔内的动作，且手术部位的三维（3D）图像实时显示在成像系统显示屏，3 个系统相辅相成帮助医师完成复杂的外科手术[4-5]。

图1 达芬奇手术机器人的结构组成

（1）医师控制系统。医师操作台摆放在手术间无菌区域外，由计算机系统、监视器、操作手柄及输出设备等部分组成，是手术机器人的控制核心[1]。主刀医师坐于操作台前，通过操作 2 个主控制器（双手）及脚踏（双脚）来控制手术器械和三维高清内窥镜。通过3D 立体目镜可观察到医师指尖动作和手术器械同步进行[3]。（2）床旁机械臂控制系统。床旁机械臂控制系统一般包括 2～3 支工作臂及 1 支持镜臂，是手术机器人的操作部分。相比传统腹腔镜手术，持镜臂持镜比助手医师扶镜获得的图像更加稳定。工作臂共有7 个自由度，同步传递主刀医师指尖动作至器械末端，完成手术操作。相比传统腹腔镜器械的4 个自由度，工作臂操作手术器械更加精细、灵活。（3）成像系统。此系统摆放在手术间无菌区域外，一般包括显示器、影像处理设备、核心处理器，是手术机器人的重要组成部分，一般由巡回护士操作，并可摆放刻录机等各类辅助手术设备[3]。手术机器人的内窥镜均为高分辨率3D 镜头，且能放大手术视野十倍数以上，帮助医师获得患者手术部位的三维立体高清影像，提升手术精确度。

2 故障一

2.1 故障现象

如图2 所示，型号为IS3000 的达芬奇手术机器人的医师操作台右眼视野显示屏黑屏，开机无报错信息。

图2 机器人故障现象图

2.2 故障分析及处理

故障分析。根据3D 视频信号传输顺序，故障分析区块主要分为摄像模块（信号源）、传输链路、显示模块（显示器）。根据信号产生及传输顺序由易到难依次排查。

故障处理。摄像模块分为摄像头、光纤、内镜、光源、摄像主机；链路模块主要分为2 路高清信号传输线；显示模块主要分为左、右眼信号显示屏。首先，拆除无菌套并断开摄像头和内镜连接，检查内镜。如图3 所示，内镜分为左右眼通路及对应光路，检查通路内透镜，发现右眼通路内透镜破碎，由此判断内镜故障；然而，摄像头脱离内镜后右眼显示屏依旧是黑屏状态，说明除此之外仍有故障点。于是，更换内镜，拆开医师操作台显示屏后盖（见图4），调换左右眼信号源，发现右眼信号源接入左眼显示屏后可以正常显示，左眼信号源接入右眼显示屏后变成黑屏，故可判断，更换新内镜后信号源、链路均已正常，故障点在显示模块。通过查询达芬奇手术机器人手册，得知显示屏供电电压为 12 V。使用万用表测量显示屏供电电压，左眼显示屏供电正常，右眼显示屏供电为 0 V。断开医师操作台电源，重新焊接连接线并启动机器，发现供电恢复正常，右眼显示正常。以此证明故障原因为电插座口的连接线破裂。

图3 机器人光学镜故障分析

图4 医师操作台显示屏

3 故障二

3.1 故障现象

型号为 IS4000 的达芬奇手术机器人工作时，影像平台车发出的风扇噪声变得异常（风扇声音忽大忽小），无法判断声音来源。

3.2 故障分析及处理

故障分析。如图5 所示，根据影像平台车的组成，异常风扇噪声的来源可以定位到电能量平台、影像处理中心和核心（Core）。

图5 影像平台车示意图

故障处理。（1）电能量平台未配备风扇，因此不存在风扇噪声；影像处理中心包括内窥镜控制器（endoscope controller，EC）和图像处理器（vision processor，VP），内部均带有风扇，前置盖板下有滤网（见图6）；Core 内部有3 把比较大的散热风扇，前盖板下也有滤网（见图6）。所以，异常风扇噪声应该来自EC、VP 或Core。检查滤网，发现有很多毛絮状灰尘汇聚在进风口的滤网上，灰尘为手术布巾掉落的棉絮（见图6）。清理并重新安装滤网后使用一段时间，发现影像平台车仍然存在异常风扇噪声，但发生频率下降，说明除此之外仍有故障点。（2）风扇噪声大小与风扇转速存在明显关联，设备内部如果过热，则会导致风扇转速增加，从而引起风扇声音异常增大。考虑到最大的发热源为内窥镜的光源，所以重点排查影像处理中心的散热情况。通过查询达芬奇手术机器人手册，得知影像处理中心的VP 确实配备3 把散热风扇。由于VP 无法拆卸，通过查询达芬奇工作日志（见图7），发现日志上存在温控代码833（温度偏高报警开始的下限值），与风扇异常噪声出现的时间点吻合。代码中的VCI2 定位指向VP 主控板的温控单元，通过进制转换，当前记录的温度数值为27.2 ℃[0x51（16 进制）-＞ 81 ℉（十进制）-＞ 27.2 ℃]。由此判断，当系统检测到内部温度超过 27 ℃时，VP 散热风扇会提高转速以增加散热，避免机器内部过热而发生故障（达芬奇最高工作温度 30 ℃），风扇噪声忽大忽小就是系统在自我调节。（3）为了验证以上判断，可通过对比试验找出温度临界点。当手术室温度超过 25 ℃，风扇噪声开始增大，而当手术室温度降低到 24 ℃以下，则不再出现该情况。该试验重复性良好。为什么运行日志的记录温度为27.2 ℃，可能受到3 个因素的影响：滤网在过滤灰尘的同时也减少了进风量，散热不及时使设备内部温度略偏高；手术间的其他设备散热影响了局部温度，使机器人影像平台周围的温度略偏高；手术间空调温度探头一般并不是特别精准，制冷也有滞后性，室温可能暂时偏高。

图6 影像平台车EC、VP、Core 对应滤网

图7 达芬奇工作日志

4 小结

为了尽量避免达芬奇机器人发生故障，建议临床使用中做到以下3 点：（1）将影像平台车尽可能远离手术床与床旁医护人员，尽可能减少灰尘在滤网上聚集；（2）加强质控，经常检查电源线有无破损，定期清洁或更换滤网等配件；（3）保证手术室空调运行正常，回风口通畅、无堵塞。

虽然达芬奇手术机器人比其他设备故障率更低，但其故障原因一般难以判断，且手术途中难以及时解决。例如，机械臂控制系统灵活度和柔性不够，手术器械无法到达指定手术部位[6]；手术机器人主从轨迹跟踪是根据主手的绝对位置进行的，但主手和器械末端工作空间的大小不一致，主刀医师需反复切换主手位置来获取合适的操作空间，这种频繁切换引起的器械末端剧烈跟随运动可能会给患者带来不可预测的伤害[7]。另外，手术过程中，机器人系统还可能因为突然停机引发严重的手术事故。因此，为了解决上述问题，可以开展机器人系统可靠性风险评估，以及关键部件状态检测、故障预测预警及预防维护等研究，保证手术机器人在手术过程中的安全性[8]。