手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)最關(guān)鍵因素是什么

機(jī)器人設(shè)計(jì)是一件很艱辛的工作。這些復(fù)雜的手術(shù)平臺(tái)由訓(xùn)練有素的五到七名臨床醫(yī)生組成，其中包括外科醫(yī)生、護(hù)士和技術(shù)人員。通常，外科醫(yī)生通過手動(dòng)操縱裝置來控制兩到三個(gè)多功能微型設(shè)備和3DHD攝像機(jī)。

機(jī)器人技術(shù)允許醫(yī)生使用微型電氣機(jī)械裝置來執(zhí)行任務(wù)，而這些設(shè)備的工作永遠(yuǎn)無法通過醫(yī)生的手來進(jìn)行。這些微型器械能實(shí)現(xiàn)更小的切口、手術(shù)部位上更有限的控制和更快的手術(shù)。這些最先進(jìn)的機(jī)器人助手共同幫助病患更快地恢復(fù)。在機(jī)器人手術(shù)中，一切都與控制有關(guān)。而一切控制都源自“矛的尖端”—— 人手，這是手術(shù)成功的關(guān)鍵。

關(guān)鍵問題：模仿人的手

外科醫(yī)生的手動(dòng)操縱裝置是機(jī)器人手術(shù)中最棘手 的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一。精確度和控制是機(jī)器人手術(shù)的主要 目標(biāo)。必須針對(duì)每只手上三個(gè)最“聰明”的手指—— 拇指、食指和中指來優(yōu)化機(jī)器人手術(shù)工具。這三個(gè)是最常用的用于執(zhí)行精確靈巧的任務(wù)的手指。人們一天之中不知有多少次會(huì)使用他們最“聰明的握把”，實(shí)現(xiàn)精確的三點(diǎn)控制。

手動(dòng)操縱裝置的設(shè)計(jì)必須讓外科醫(yī)生以自然不受 阻礙的方式來使用他們的手指，操縱裝置本身的設(shè)計(jì)也必須具有足夠的力反饋來實(shí)現(xiàn)觸感，同時(shí)又不會(huì)形成阻礙。設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮如何適應(yīng)手部尺寸和力量的差異，從第 5 百分位女性到第 95 百分位男性。這是最艱難的部分。同步運(yùn)動(dòng)可以優(yōu)化靈活性和精度，同時(shí)也適合各種手部尺寸。手動(dòng)操縱裝置的物理貼合度很重要，同時(shí)它們的行為方式也很重要。

如何做到這一點(diǎn)？

關(guān)于系統(tǒng)增益的研究可以追溯到 20 世紀(jì) 60 年代， 當(dāng)時(shí)的重點(diǎn)是人的因素和人的表現(xiàn)。研究表明，放大率和增益是相互關(guān)聯(lián)的。例如，據(jù)報(bào)道，在玻璃體視網(wǎng)膜系統(tǒng)中，它們需要高精度并且使用的增益比高達(dá) 40:1。到目前為止的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于更傳統(tǒng)的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，2:1 至 7:6 的增益比是最佳范圍。

學(xué)習(xí)曲線：學(xué)習(xí)時(shí)間有多長？

有許多關(guān)于學(xué)習(xí)曲線的研究會(huì)對(duì)專家外科醫(yī)生與 新手醫(yī)學(xué)生或新手志愿者進(jìn)行比較。臨床研究通常涉及泌尿科、心胸外科、婦科或普通外科手術(shù)中特定程 序或任務(wù)的表現(xiàn)。以下是有關(guān)機(jī)器人技術(shù)和腹腔鏡技術(shù)的學(xué)習(xí)曲線的重點(diǎn)：

● 執(zhí)行簡單任務(wù)的外科醫(yī)生若表現(xiàn)出快速學(xué)習(xí)的能力，則在腹腔鏡和機(jī)器人平臺(tái)上的表現(xiàn)同樣出色。

● 外科醫(yī)生在機(jī)器人平臺(tái)上進(jìn)行縫合時(shí)表現(xiàn)出更快的學(xué)習(xí)能力和巔峰狀態(tài)時(shí)間。

● 隨著練習(xí)時(shí)間的延續(xù)，手術(shù)表現(xiàn)將得到持續(xù)改善，他們能使用機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行更快的縫合。

● 熟練的腹腔鏡外科醫(yī)生在一開始和練習(xí)后都能在更短的時(shí)間內(nèi)完成機(jī)器人任務(wù)。

有趣的是，進(jìn)步最大的是腹腔鏡經(jīng)驗(yàn)最少的參與者這組。并且，在腹腔鏡和機(jī)器人平臺(tái)上學(xué)習(xí)外科手術(shù)的基本技能具有陡峭的學(xué)習(xí)曲線，并 且在少至 5-10 次手術(shù)后會(huì)到達(dá)技能“高原”。不過學(xué)習(xí)曲線會(huì)受到工作負(fù)荷的影響。

工作負(fù)荷：他們?cè)谙胧裁矗?/p>

工作負(fù)荷是機(jī)器人手術(shù)中需要考慮的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素。這是個(gè)人必須做的工作負(fù)荷，或個(gè)人對(duì)工作負(fù)荷的看法。人 類可以有效應(yīng)對(duì)的工作負(fù)荷是有限的。在考慮工作負(fù)荷時(shí)，可以將其分解為體力勞動(dòng)負(fù)荷和認(rèn)知工作負(fù)荷。

體力勞動(dòng)負(fù)荷是通過身體與工具或環(huán)境的相互作用以及這些相互作用對(duì)身體的影響來衡量的，包括姿勢(shì)、重復(fù)運(yùn)動(dòng)、工作場所布局、材料處理、肌肉骨骼壓力以及任何相關(guān)的傷害或障礙。

認(rèn)知工作負(fù)荷是指一個(gè)人可以使用的精神資源，他們用來思考、記憶、感知運(yùn)動(dòng)反應(yīng)、知覺和壓力。每個(gè)人都有 一個(gè)固定的認(rèn)知上限，當(dāng)超過時(shí)會(huì)降低思考、判斷和決策能力。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮如何更好地將外科醫(yī)生的這些精神資源集中在外科手術(shù)本身。

以下是工作負(fù)荷如何與外科醫(yī)生的舒適度、壓力和認(rèn)知負(fù)荷相互作用：

● 腹腔鏡手術(shù)比一般手術(shù)需要更多 的體力勞動(dòng)。

● 腹腔鏡手術(shù)期間的體力工作量需求大于機(jī)器人手術(shù)。

● 與腹腔鏡手術(shù)相比，在進(jìn)行機(jī)器 人手術(shù)時(shí)，頸部、手臂、肩部和背部的肌肉活躍水平較低。

● 腹腔鏡和機(jī)器人外科醫(yī)生在執(zhí)行機(jī)器人任務(wù)時(shí)表現(xiàn)出較低的身體工作負(fù)荷。

● 使用機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)時(shí)，新手住院醫(yī)生和專家外科醫(yī)生都表現(xiàn)出較低的緊張程度。

● 通過皮膚電導(dǎo)、眨眼和問卷測(cè)量表明，腹腔鏡手術(shù)任務(wù)的壓力和注意力高于機(jī)器人任務(wù)。

● 據(jù)報(bào)道，腹腔鏡外科醫(yī)生的職業(yè)癥狀或損傷發(fā)生率高達(dá) 87％。

壓力

雖然壓力和精神負(fù)荷是不同的結(jié)構(gòu)，但認(rèn)知負(fù)荷通?？膳c生物壓力互換使用。對(duì)生物壓力的評(píng)估涉及測(cè)量個(gè)體 對(duì)刺激事件的反應(yīng)，這些事件擾亂了他們的均衡，或者超過了他們的應(yīng)對(duì)能力。用于測(cè)量生物壓力的生理測(cè)量包括平均心率、心率變化、眨眼率和皮膚電導(dǎo)。雖然應(yīng)用并不廣泛，但設(shè)計(jì)師在測(cè)試新的想法、概念和原型時(shí)會(huì)使用這些類型 的指標(biāo)來衡量外科醫(yī)生的表現(xiàn)。

鏡子：反向運(yùn)動(dòng) VS 真實(shí)的運(yùn)動(dòng)

在傳統(tǒng)的腹腔鏡手術(shù)中，沿一個(gè)方向移動(dòng)機(jī)器人設(shè)備會(huì)讓體內(nèi)的末端點(diǎn)沿相反方向移動(dòng)。這被稱為支點(diǎn)效應(yīng)。例 如，將外科醫(yī)生的手向下移動(dòng)會(huì)使設(shè)備末端點(diǎn)向上移動(dòng)，反之亦然。一切都是反向的，這給新手外科醫(yī)生帶來了挑戰(zhàn)。

經(jīng)驗(yàn)豐富的腹腔鏡外科醫(yī)生已經(jīng)學(xué)會(huì)了在反向運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行操作，通過在腦海中進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)計(jì)算，將他們所看 到的東西翻轉(zhuǎn)成正在做的事情。無論經(jīng)驗(yàn)豐富的腹腔鏡外科醫(yī)生如何處理反向運(yùn)動(dòng)，事實(shí)上，實(shí)時(shí)進(jìn)行這樣的自動(dòng)調(diào) 整是以外科醫(yī)生的認(rèn)知資源為代價(jià)的。顯然，在反向運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整所消 耗的認(rèn)知資源，會(huì)搶奪原本應(yīng)該用于外科手術(shù)本身的認(rèn)知資源，而不是對(duì)傳統(tǒng) 腹腔鏡設(shè)備設(shè)計(jì)的補(bǔ)償。

未來

手術(shù)機(jī)器人行業(yè)正炙手可熱。雖 然只有少數(shù)公司能夠在這個(gè)領(lǐng)域立足，但所有公司都是重要的全球巨頭。Intuitive Surgical 是該行業(yè)的先驅(qū)，仍 然占據(jù)主導(dǎo)地位。包括強(qiáng)生、谷歌、史賽克和美敦力在內(nèi)的其他公司都在以某種方式向手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域邁進(jìn)。每個(gè)人都在試圖將他們的平臺(tái)與競爭對(duì)手區(qū)分開來。

很難否認(rèn)機(jī)器人正在改變手術(shù)本身。機(jī)器人技術(shù)可提高外科醫(yī)生的表現(xiàn)，減少手術(shù)侵入性，并為病人帶來更快的恢復(fù)時(shí)間。隨著越來越多的競爭出現(xiàn)在這一領(lǐng)域，隨著這個(gè)行業(yè)從壟斷變?yōu)殚_放，系統(tǒng)成本將會(huì)走低。

隨著技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR） 和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）將在人機(jī)交互中發(fā)揮更重要的作用。這將降低機(jī)器人平臺(tái)的物理尺寸和復(fù)雜性，轉(zhuǎn)變?yōu)楦〉撵`活設(shè)計(jì)，更好地適應(yīng)目前的各種醫(yī)院架構(gòu)。手術(shù)機(jī)器人的未來不會(huì)是單一的， 而是將納米式手術(shù)工具、皮膚和體內(nèi)微型可穿戴設(shè)備以及組織 / 器官可視化技術(shù)融合在一起，這將使外科醫(yī)生能夠看到他們以前從未見過的東西。

本文介紹了機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的五個(gè)關(guān)鍵成功因素。無論這些機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)有多復(fù)雜，它們的成功都可以歸結(jié)為成功的人機(jī)交互設(shè)計(jì)， 使外科醫(yī)生能夠以自然、直觀和無障礙的方式工作。