达芬奇手术机器人的宿世此生
其实，达芬奇手术机器人更正式的名称是“内窥镜手术器械操控体系”，由总部坐落美国加利福尼亚州阳光谷1995年建立的直觉手术机器人公司(Intuitive Surgical) 自行规划、出产及出售。
达芬奇机器人的技能源于具有官方布景的斯坦福研讨院(SRI)，上世纪80年代末，一群科学家在斯坦福研讨院开端了外科手术机器人的研制，初衷是要研制出合适战地手术的机器人。在后续的研讨中，手术机器人引起了美国国防部的重视，他们对这种医师能够长途操作来对战士进行手术的体系很感爱好，很快这种爱好变成了实际行动。1990年的时分项目组收到了美国国家卫生研讨院的出资，期望他们能够赶快的研讨出可供实际运用的原型。
在1994的时分Frederic Moll博士对这套体系非常感爱好，其时他在SRI主任Guidant手下作业，他屡次恳求将“Lenny”(前期达芬奇机器人)商业化，以最大化它的价值，但是其时鲜有人看到这一点，我们都在忙着怎么将它变得更酷一点。
所以Frederic Moll叫上刚从Acoson公司辞去职务的John Freund，和SRI经过屡次洽谈后成功购买了关于Lenny机器人的知识产权。之后在1995年建立了Intuitive Surgical Devices Inc(直觉外科公司)，他们一开端就引入了风险出资，出资者包含菲尔德基金、塞拉利昂本钱和摩根斯坦利。
达芬奇机器人1996年推出了第一代，2006年推出的第二代机器人机械手臂活动规模更大了，答应医师在不脱离操控台的情况下进行多图调查。2009年在第二代机器人的基础上添加了双操控台、模仿操控器、术中荧光显影技能等功用，然后推出了第三代机器人。第四代机器人在2014年推出，灵敏度、精准度、成像清晰度等方面有了质的进步，公司在2014年下半年还开发了长途调查和辅导体系。
达芬奇手术机器人是现在全球最成功及运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运用最多，现在也已越来越多地运用于心脏瓣膜修正和妇科手术中。
作业方式及特色
达芬奇手术机器人主要由3个部分组成：1、医师操控体系;2、三维成像视频印象渠道;3、机械臂，摄像臂和手术器械组成移动渠道。施行手术时主刀医师不与患者直接触摸，经过三维视觉体系和动作定标体系操作操控，由机械臂以及手术器械模仿完结医师的技能动作和手术操作。
作业方式：
外科医师操控台：主刀医师坐在操控台中，坐落手术室无菌区之外，运用双手(经过操作两个主操控器)及脚(经过脚踏板)来操控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，手术器械顶级与外科医师的双手同步运动。
床旁机械臂体系：床旁机械臂体系(Patient Cart)是外科手术机器人的操作部件，其主要功用是为器械臂和摄像臂供给支撑。帮手医师在无菌区内的床旁机械臂体系边作业，担任替换器械和内窥镜，帮忙主刀医师完结手术。为了确保患者安全，帮手医师比主刀医师关于床旁机械臂体系的运动具有更高优先操控权。
成像体系：成像体系(Video Cart)内装有外科手术机器人的中心处理器以及图象处理设备，在手术进程中坐落无菌区外，可由巡回护理操作，并可放置各类辅帮手术设备。外科手术机器人的内窥镜为高分辨率三维(3D)镜头，对手术视界具有10倍以上的扩展倍数，能为主刀医师带来患者体腔内三维立体高清印象，使主刀医师较一般腹腔镜手术更能掌握操作间隔，更能辨认解剖结构，提升了手术准确度。
达芬奇手术机器人优缺陷
长处
从患者视点：(1)手术操作更准确，与腹腔镜(二维视觉)比较，因三维视觉可扩展10-15倍，使手术准确度大大添加，术后康复快，愈合好。(2)曲线较腹腔镜短。(3)创伤更小，使微创手术指征扩展，削减术后痛苦，缩短住院时刻，削减失血量，削减术中的安排创伤和炎性反应导致的术后粘连，添加美容效果，更快投入作业。(4)术中对机体损害大大减小。
从术者视点：添加视界视点，削减手部哆嗦，机器人“内腕”较腹腔镜更为灵敏，能以不同视点在靶器官周围操作，能够在有限狭隘空间作业;使术者在轻松作业环境作业，削减疲惫更集中精力;削减参与手术人员，进步功率，下降人力本钱。
缺陷
机器人做外科手术的本钱比较高，每台医用机器人的最高本钱200多万美元。全世界仅有少量医院可施行机器人手术，因而使机器人手术的本钱不能大幅度下降。因而，手术费用显着比惯例手术要高。
现在在我国同意上市的只要美国出产的达芬奇机器人手术体系，我国大陆、台湾和日本等也在赶紧研制。
三个要害中心技能
达芬奇手术机器人代表着当今手术机器人最高水平，它有三个要害中心技能：可自在运动的手臂腕部EndoWrist、3D高清印象技能、主控台的人机交互规划。
机械手臂的腕部选用能够供给7个自在度的EndoWrist技能，能够完结人手无法完结的动作，触及规模更广。体系具有振荡消除体系和动作定标体系，可确保机械臂在狭小的手术视界内进行准确的操作。此外，机械臂还能完结一些人手无法完结的极为精密的动作，手术切断也能够开得很小，然后缩短患者在手术后康复的时刻。一起还能够进步手术功率，节省费用。
三维印象渠道内装有外科手术机器人的中心处理器以及图画处理设备，可由巡回护理操作。达芬奇手术体系的内窥镜能够构成三维立体图画，手术视界图画被扩展10~15倍，供给实在的16：9份额的全景三维图画。
主控台的规划充分考虑人机交互，供给了天然的手-眼方位，舒畅的坐姿下降了手术医师的疲惫感，确保长时刻手术的正常进行，内置的麦克风能够让手术中的交流愈加有功率。主刀医师坐在操控台中，坐落手术无菌区之外，运用双手操控两个主操控器，运用脚操控脚踏板。操控体系中的运动份额缩放功用将使医师手部的天然哆嗦或无意的移动减小到最小程度。
手术机器人体系的原理及要害技能
手术机器人体系典型结构示意图
许多的图画处理技能、定位配准技能、主动化与操控技能的运用完结了以上五个功用单元，而在许多技能中以下三个技能模块是最为要害：
机器人操控技能：机器人是手术机器人体系的中心，它的效果有两个：一是按指令轨道运动将装置在其结尾的手术器械送达病灶点;二是按指令轨道带动手术器械运动完结操作使命。操控计算机在接纳指令后根据规划体系供给的轨道参数生成机器人运动指令，该指令经通讯体系发送给机器人的操控器，机器人在该指令操控下完结指定的操作。机器人的灵活操作空间有必要掩盖手术的操作空间，以确保规划手术方案的施行。在手术的途径选取时，有时要求避开一些人体的重要安排，要求机器人具有冗余特性，即机器人具有必定的避障才能。
配准与空间映射技能：空间映射是一系列坐标系间的改换联系，能够用齐次改换矩阵表明。当在图画空间取得方针靶点和手术途径信息后，经过空间映射联系能够在机器人操作空间中取得它们的描绘。在主从异构操作体系中，还存在一个由主机操作空间到从机操作空间的映射改换，该映射联系由遥操作体系的结构和操控战略决议。
手术器械的位姿盯梢：手术器械的位姿盯梢是选用某种办法实时取得手术器械在某一已知空间中的位姿。该位姿信息和已知的手术器械尺度信息，可用于扶引或手术监督体系。位姿信号从机器人操控器取得，在监督体系的三位患者模型上实时显现出手术器械的位姿，供给手术时地可视化监督功用。现代手术机器人一般选用光电式办法取得位姿信息。
智能机器人要害技能
1、多传感器信息交融
多传感器信息交融技能是近年来非常抢手的研讨课题，它与操控理论、信号处理、人工智能、概率和计算相结合，为机器人在各种杂乱、动态、不确定和不知道的环境中执行使命供给了一种技能处理途径。
2、导航与定位
在机器人体系中，自主导航是一项中心技能，是机器人研讨范畴的要点和难点问题。
3、途径规划
途径规划技能是机器人研讨范畴的一个重要分支。最优途径规划便是根据某个或某些优化原则(如作业价值最小、行走路线最短、行走时刻最短等)，在机器人作业空间中找到一条从开始状况到方针状况、能够避开障碍物的最优途径。
4、机器人视觉
视觉体系是自主机器人的重要组成部分，一般由摄像机、图画采集卡和计算机组成。机器人视觉体系的作业包含图画的获取、图画的处理和剖析、输出和显现，核
心使命是特征提取、图画切割和图画辨识。
5、智能操控
跟着机器人技能的开展，关于无法准确解析建模的物理方针以及信息缺少的病态进程，传统操控理论暴露出缺陷，近年来许多学者提出了各种不同的机器人智能操控体系。
6、人机接口技能
智能机器人的研讨方针并不是彻底取代人，杂乱的智能机器人体系只是依托计算机来操控现在是有必定困难的，即便能够做到，也因为缺少对环境的习惯才能而并不有用。智能机器人体系还不能彻底排挤人的效果，而是需求凭借人机协调来完结体系操控。因而，规划杰出的人机接口就成为智能机器人研讨的要点问题之一。
国内手术机器人商场及现状
在美国的一些一流医院，机器人做微创手术的份额现已超越全院外科手术的50%，许多承受达芬奇手术的患者，因为创伤小，损害小，康复非常快能够做到手术后24小时出院。2007至2013年间美国有170万名患者进行了机器人手术。
现在在我国等新式商场，因为装机数量的限制，手术浸透率还很低，到2015年12月，散布在全国各地的几十台“达芬奇手术机器人”在上一年共完结手术11445例，历年总计完结手术22917例。
国内医疗机器人商场包含巨大潜力。2010-2014 年来全国医疗机构床位量以及住院人数年复增长率别离到达 7.5%和 9.6%，一起我国已步入晚年化社会，晚年人口数量年复增长率到达 3.54%。此外我国因中风、外伤等导致损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添加，巨大的商场需求将推进医疗机器人商场在我国得到快速开展。
因为现在外科手术机器人出产商的技能和商场独占，使得手术机器人的置办费用高、手术本钱高、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。现在，国内研讨人员正在赶紧研制各种手术机器人及其辅佐设备、耗材。从长远看，当时的手术机器人技能和商场的独占位置或许被打破，手术机器人运用本钱的下降是必然趋势。
水兵总医院与北京航天航空大学联合开发的机器人体系CRAS(Computer and Robot Assisted Surgery，CRAS)是国内手术机器人体系的先行者，已完结第五代的研制和临床运用。CRAS机器人体系选用PUMA260、262机器人作为体系辅佐操作的执行机构。第一代机器人于1997年5月初次运用于临床。第二代1999年研制成功，完结了无结构立体定向手术。第五代机器人除了前四代机器人的特色外，主动定位功用愈加先进，完结了视觉主动定位，使手术差错更小，手术操作愈加方便安全。该体系能经过互联网施行长途操作手术。2005年12月12日，在北京与延安之间使用互联网成功进行了2例立体定向手术。尽管如此，CARS手术机器人在扩展适用规模和有用性方面仍是有许多问题需求处理。
2013年11月，国家“863”方案赞助项目——“微创腹腔外科手术机器人体系”，由哈尔滨工业大学机器人研讨所研制成功，并经过国家“863”方案专家组的检验。据哈工大机器人研讨所的研制人员介绍，国产微创腹腔外科手术机器人体系具有我国自主知识产权，研讨人员针对微创外科手术的多种术式，在手术机器人体系的机械规划、主从操控算法、三维(3D)腹腔镜与体系集成等要害技能上都进行了重要打破，并申请了多项国家发明专利。
2014年04月，中南大学湘雅三医院顺利完结了3例国产机器人手术，这是我国自主研制的手术机器人体系初次运用于临床。该手术机器人便是天津大学研制的具有自主知识产权的微创外科手术机器人体系——“高手S”。“高手S”体系较国外同类产品有三点技能优势，第一是运用了微创手术器械多自在度丝传动解耦规划技能，处理了运动耦合问题，固定、防滑、防松，更有利于精度坚持。第二是完结了从操作手的可重构布局原理与完结技能，使机器人的“臂膀”更轻，更习惯手术的需求。第三是运用体系异体同构操控模型构建技能，处理了立体视觉环境下手-眼-器械运动的一致性。据了解，“高手S”外科手术机器人体系将有望3年内投产。
图：天津大学“高手S”手术机器人
