天津大學「妙手S」手術機器人簡介

由於本文的筆者曾經在天津大學醫療機器人項目組學習並參與項目研發，為避免知識產權糾紛和泄密，本章節所有的信息和數據均引用自公開發表文獻[1]。

天津大學機械工程學院王樹新老師的團隊從2008年開始進行微創手術機器人相關研究和研發，其中目前在進行商業化的是2013年完成研發的「妙手S」系統，目前與威高集團聯合推進產業化，已經在2014年4月至2018年4月完成了13例人體試驗，並與2017年9月通過了國家食品藥品監督管理總局的創新醫療器械特別審批；其中後面幾例由「妙手S II」實施完成。

目前「妙手S II」尚未完全公開，故本文主要對「妙手S」系統進行介紹。

妙手S的設計目的是更小、更緊湊、性價比更高；同時規避da Vinci手術機器人的相關專利，目前看來基本實現了上述目標，但在操作精度、整體信息化水平等方面尚落後於da Vinci的新款產品（如da Vinci Si/Xi/X等系列）。

「妙手S」系統組成：

「妙手S」系統由兩大部分組成：醫生控制台（surgeon console）和從手台車（slave cart），註：intuitive surgical.Inc 命名為醫生控制台（Surgeon Console）和患者台車（Patient Cart）。

其中醫生控制台主要有4個功能模塊，從上到下依次是：1）立體圖像觀察窗；2）主操作手；3）控制面板；4）控制腳踏。詳見圖 1。

其中立體圖像觀察窗手術中給醫生提供高清立體圖像用於觀察病灶和手術器械，是術中的唯一顯示反饋單元；主操作手是手術動作指令單元，醫生在手術中握持2個主操作手末端，發出從手期望運動的位置和姿態（夾持）指令；控制面板用於調整一些術前機器人手術參數，諸如內窺鏡角度、縮放比例等等；5個控制腳踏用於調整術中常用的手術動作，從左往右功能分別是：1）斷開主從運動映射；2）內窺鏡運動控制；3）啟動機器人；4）電凝；5）電切。

從手台車主要有3個功能模塊：1）被動調整臂；2）旋轉關節；3）從操作手。詳見圖 1。

其中被動調整臂用於調整從操作手的高度，以適應不同的術式；旋轉關節用於旋轉從操作手的方向，同樣用來適應不同的術式；3個從操作手中的2個用來操作手術器械，第3個用於控制內窺鏡，後續會增加第4個從操作手，以適應更複雜的手術操作。另外，在旋轉關節位置安裝了一些被動調整的平移關節，用於術前調整時前後移動從操作手。

創新點簡介：

「妙手S」在系統設計上有多個特點，舉其中兩個較為突出的特點為例：1）從操作手；2）手術器械。

第一個突出特點是從操作手採用被動不動點機構，見圖3，從操作手有3個主動關節和兩個自由活動的正交關節，自由關節完全順應外界力進行運動，實際手術中由病人皮膚戳卡提供約束力（這種設計思路參考了普通腹腔鏡手術的操作動作，兩個自由關節相當於醫生的手腕）。兩個自由關節上安裝了感測器，用途之一是術前標定戳卡和機器人的相對位置；用途之二是術中進行安全監測，一旦實時計算的戳卡位置和術前標定的戳卡位置有較大偏差，機器人會停止運行。相比於da Vinci機器人的主動不動點機構，被動不動點機構的優點是減少了關節數量、減小了機構尺寸、減少了術前調整時間，而缺點是由於病人皮膚較為柔軟使得機器人末端運動精度較差。

第二個突出的特點是器械末端自由度布局。「妙手S」手術器械末端布局採用了「roll–pitch–roll」的布局，而「da Vinci」機器人器械末端採用了「roll–pitch–yaw」的布局。「妙手S」採用這種構型的原因是由於不動點彈性造成運動精度較差，使用器械末端自轉的關節能夠更容易的實現縫合操作（需要器械前端自轉動作轉動縫合針，而如果末端位置發生變化的話會導致縫合針搖晃不定）。而「da Vinci」機器人全部關節運動精度較高，可以通過6個關節的耦合運動實現轉動縫合針的動作。總的來說，這是一種對於被動不動點構型的設計妥協，但是筆者擔心手術中還有很多動作需要高精度操作（例如打結，分離，切開），而運動精度不足可能會影響手術效果、延長手術時間，甚至影響手術安全。

控制系統簡介：

「妙手S」控制策略採用了常見的「位置型」單邊遙操作策略，總結來說有直觀控制、增量控制、比例控制三個要素：直觀控制通過器械末端在內窺鏡下的運動與主操作手末端在顯示器下的運動一致來保證；增量控制是指從端接受到的運動指令是主手端每次運動的增量疊加；比例控制是指主手和從手的運動是經過比例映射，來提高醫生操作的精度；要指出的是比例控制和增量控制只用在位置信息，而姿態信息是一一對應的。

其控制流程如下：首先採集主操作手的關節信號，經過正運動學計算的到期望的位置和姿態，其中經過差分得到位置每周期的增量，經過比例映射K縮放後作為運動指令發送給從端，從端根據當前的笛卡爾空間位置加上主端發來的增量，得到從端新的笛卡爾期望運動位置，經過逆解得到期望的從端關節角度，下發給驅動器執行；另外當前的笛卡爾空間位置由從端實際關節角度計算得到。

臨床進展：

根據公開文獻[2]，2014年4月至2015年4月，「妙手S」一共進行了8次人體手術實驗（計劃入組10人，實際入組8人），最終8人全部正常出院，無併發症。

另外，「妙手S」也在進行新的一組預臨床實驗，具體信息已經發布：https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02752698

由圖 7可以看出目前「妙手S」是在跟普通腹腔鏡做對照，屬於觀察性臨床，兩組各30人。預計這部分臨床結束後，很快就會進入註冊臨床，整體來說「妙手S」的臨床策略推進穩紮穩打。同時進行了預臨床工作，並且使用預臨床信息申請到了CFDA的創新醫療器械，給後來申請創新通道的競爭對手樹立屏障，保證自己的先發優勢，而在國內能夠爭取到「首台套」政策，政府協助推廣的意義是非常重大的。

參考文獻：

[1] Yi, B., Wang, G., Li, J., Jiang, J., Son, Z., Su, H., … Wang, S. (2017). Domestically produced Chinese minimally invasive surgical robot system 「Micro Hand S」 is applied to clinical surgery preliminarily in China. Surgical Endoscopy and Other Interventional Techniques, 31(1), 487–493. https://doi.org/10.1007/s00464-016-4945-3

[2] Wang, W., Li, J., Wang, S., Su, H., and Jiang, X. (2016) System design and animal experiment study of a novel minimally invasive surgical robot. Int J Med Robotics Comput Assist Surg, 12: 73–84. doi: 10.1002/rcs.1658.

尾評

國內目前研發腹腔鏡手術機器人的第一梯隊也有好幾家，大家產品各有特色、互有競爭，但無論最終鹿死誰手，或者大家各自佔有一部分市場份額，我想會有人記起這片歷史長河中的小水花：有一批人為了打破國外高價醫療器械的壟斷而努力過。

就像我們會記起來intuitive surgical公司早期的天才工程師們發明了da Vinci手術機器人一樣。