机器人手术将如何运作

在今天的手术室里，你会发现两三名外科医生、一名麻醉师和几名护士，即使是最简单的手术也需要他们。大多数手术都需要近12个人在房间里。与所有自动化一样，外科手术机器人最终会消除对某些人员的需求。展望未来，外科手术可能只需要一名外科医生、一名麻醉师和一到两名护士。在这个几乎空无一人的手术室里，医生坐在电脑控制台前，在手术室内外，使用手术机器人完成以前需要一群人完成的手术。

a的使用计算机控制台从远处执行操作打开了想法telesurgery.这就需要医生在病人几英里之外进行精细的手术。如果医生不需要站在病人身边进行手术，而且可以从离病人几英尺远的计算机工作站控制机械臂，下一步就可以在更远的地方进行手术。如果可以利用计算机控制台实时移动机械臂，那么加州的医生就有可能在纽约给病人做手术。远程外科的一个主要障碍是潜伏--医生将手移动到对这些动作做出反应的机械臂之间的时间延迟。目前，医生必须与患者在同一房间，以便机器人系统对医生的手部动作做出即时反应。

从长远来看，减少手术室人员，允许医生对病人进行远程手术，可能会降低医疗保健的成本。除了成本效益，机器人手术与传统手术相比还有其他几个优势，包括提高精度和减少对患者的创伤。例如，传统的心脏搭桥手术需要通过一个1英尺(30.48厘米)长的切口“撕开”患者的胸部。然而，有了达芬奇系统，就可以在胸部开3到4个小切口，每个切口只有1厘米长，对心脏进行手术。因为外科医生会做这些较小的切口，而不是一个长长的胸部切口，病人会经历更少的疼痛、创伤和出血，这意味着更快的恢复。

机器人助手还可以减少医生在长达数小时的手术中经历的疲劳。在漫长的手术过程中，外科医生可能会精疲力竭，结果可能会出现手颤。即使是最稳定的人手也无法与外科手术机器人的手相比。工程师对机器人手术系统进行编程，以补偿颤抖，因此，如果医生的手抖动，计算机会忽略它，并保持机械手臂的稳定。

让我们来看看机器人手术的不同方法，从下一节中的监督控制系统开始。

在三种机器人手术中，监控系统是最自动化的。但这并不意味着这些机器人可以在没有任何人类指导的情况下进行手术。事实上，外科医生必须在手术患者之前进行广泛的准备工作机器人可以运作。

这是因为监督控制系统在进行手术时遵循一套特定的指令。人类外科医生必须向机器人输入数据，然后机器人启动一系列受控的动作，完成手术。没有出错的余地——如果出了问题，这些机器人无法实时做出调整。外科医生必须在机器人的行动中观看并准备干预，如果某些事情没有按计划进行。

外科医生可能希望使用这种系统的原因是它们可以非常精确，这反过来意味着可以减少患者的创伤，缩短恢复期。这些机器人的一个常见用途是髋关节和膝关节置换手术。机器人的工作是钻取现有的骨头，以便植入物能紧贴新的关节。

因为没有两个人有完全相同的身体结构，所以不可能有一个标准的程序让机器人遵循。这意味着外科医生必须地图彻底检查病人的身体，使机器人以正确的方式移动。他们通过一个叫做计划，登记和导航(来源:布朗大学)。

在计划阶段，外科医生对患者的身体进行拍照，以确定正确的手术入路。常见的成像方法包括电脑断层扫描（CT）扫描，磁共振成像(MRI)扫描,超声，透视和X射线扫描。在某些手术中，外科医生可能需要在患者的骨骼中放置针，作为计算机的标记或导航点。一旦外科医生为患者成像，他或她必须确定机器人将采取的手术路径。

外科医生必须告诉机器人正确的手术路径是什么。机器人不能自己做这些决定。一旦外科医生给机器人编程，它就能准确地执行指令。

下一步是注册。在这一阶段，外科医生发现患者身体上的点，其对应于在规划阶段期间创建的图像。外科医生必须恰好匹配，以便机器人在没有错误的情况下完成手术。

最后一个阶段是导航。这涉及到实际的手术。外科医生必须首先确定机器人和病人的位置，使机器人的每一个动作都与程序路径中的信息相一致。一旦所有人都准备好了，外科医生就启动机器人，机器人执行指令。

下一种机器人只能在人类外科医生的指导下工作。让我们进入下一节，了解达芬奇手术系统。

达芬奇手术系统是Intuitive Surgical公司的一款产品，它可能是世界上最著名的机器人手术设备。它属于远程医疗设备的范畴，意思是由一个人指导机器人的动作。在某种程度上，这使得机器人一套非常昂贵的高科技工具。

2000年7月11日，美国食品和药物管理局（FDA）批准了Da Vinci外科系统腹腔镜程序，使其成为美国手术室允许的第一个机器人系统。Da Vinci使用允许人类外科医生比人类视力更接近手术部位的技术，并以比传统手术允许更小的规模工作。150万美元的达芬奇系统由两个主要组件组成：

在使用达芬奇进行外科手术时，人类外科医生会在患者腹部做三到四个切口（取决于模型的手臂数量）——不大于铅笔直径——这样外科医生就可以插入三到四根不锈钢棒。机械臂将杆固定到位。其中一根杆内有两个内窥镜摄像头，可提供立体的图像，而另一杆具有能够对组织进行解剖和缝合的外科仪器。与传统手术不同，医生不直接触及这些手术器械。

坐在操作台几英尺外的控制台上，外科医生看着取景器，检查病人体内的摄像机发送的3d图像。这些图像显示了手术部位和安装在手术棒顶端的两三个手术器械。外科医生使用位于屏幕下方的操纵杆式控制来操作手术器械。每当外科医生移动其中一个操纵杆时，计算机就会向其中一个仪器发送电子信号，该信号会与外科医生的手同步移动。外科医生和机器人一起工作，可以完成完整的手术，而不需要大的切口。手术完成后，外科医生将杆状体从患者体内取出，并关闭切口。

机器人手术设备的最后一类是共享控制系统。我们将在下一页学习更多关于这种机器人的知识。

共享控制机器人系统在手术期间帮助外科医生，但大部分工作是由人类完成的。与其他机器人系统不同，外科医生必须自己操作手术器械。机器人系统监控外科医生的表现，并通过以下方式提供稳定性和支持：积极约束．

主动约束是一个概念，它依赖于将患者的区域定义为四种可能性之一：安全，关，边界或者被禁止的．外科医生将安全区域定义为手术的主要焦点。例如，在骨科手术中，安全区域可能是患者髋部的某个特定部位。安全区域没有边界软组织．

在骨科手术中，闭合区域是与软组织相邻的区域。由于矫形外科手术工具会对软组织造成大量损伤，因此机器人限制了外科医生可以操作的区域。它通过提供触觉答复，也称为力反馈。当外科医生接近软组织时，机器人推动了外科医生的手。

当外科医生靠近软组织时，器械就进入边界区域。在这一点上，机器人将提供更大的阻力，表明外科医生应该离开那个区域。如果外科医生继续向软组织切割，机器人就会锁定位置。从那以后的一切都是禁区。

和我们所看到的其他机器人一样，共享控制系统机器人不会自动知道安全区域和禁止区域之间的区别。外科医生必须首先与患者一起经历计划、注册和导航阶段。只有将这些信息输入机器人的系统后，机器人才能提供指导。

在三种机器人手术系统中，远程手术方式受到了最多的关注。达芬奇手术系统的成功引起了医生和媒体的注意。在未来，我们可能会看到更多共享控制和监督控制系统的例子。

虽然手术机器人比人手有一些优势，但我们距离自主机器人在没有人类互动的情况下对人进行操作的日子还有很长的路要走。但是，随着进步计算机在电力和人工智能的共同作用下，本世纪科学家们可能会设计出一种机器人，这种机器人可以在没有任何人类指导的情况下定位人体内的异常情况，分析异常情况，并进行操作以纠正这些异常情况。

要了解有关机器人，医学和相关主题的更多信息，请查看下一页上的链接。