腔镜手术机器人的器械为何能“转手腕”｜医生专栏

文章来源：MedRobot

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同样是一根穿过腹壁的细杆，为何腹腔镜器械只能撬，腔镜手术机器人的器械却能在体内拧？

这是一笔可以算清楚的自由度的账。

算清这笔账，就能解释另一件事：为什么在有些手术中，机器人的优势极其明显；而在另一些手术中，术者会觉得“好像也没有差多少”。

# 切口不是入口，而是一个力学支点

一个刚体在空间中有六个自由度：三个平移、三个旋转。

腹腔镜器械穿过腹壁上的固定切口时，这个切口就成了力学支点。器械杆不能在切口处横向平移，于是六个自由度被削掉两个，只剩下四个：绕支点向两个方向摆动、绕自身长轴旋转、沿长轴进出。再加上钳口开合，一共有五个可控量。

器械尖端的位置和姿态无法独立设定。想让持针器以某个特定角度进入组织，唯一的办法是调整整根器械杆的方向，而杆的方向又被切口位置锁死了。切口一旦确定，尖端所有可能的姿态就被限制在一个以切口为顶点的锥面族内。

所以，腹腔镜缝合的实质是在有限的角度集合中寻找一个可行解。

深部、朝向刁钻的结构之所以难缝，原因就在这里：可行解太少，甚至没有。

# 腕式器械做的事，是把姿态和位置解耦

腕式器械的做法很直接：在器械远端，也就是器械进入体内后的位置，再增加两个自由度，通常是一组俯仰与偏航关节。

加上原有的四个自由度和钳口开合，总数达到七个。

七这个数字有明确的工程含义：它超过了完整描述空间位姿所需的六个自由度，意味着器械末端的位置与姿态可以独立选择，甚至同一个末端位姿可以对应多组关节解。

对术者的实际含义只有一句：进针角度不再由切口位置决定。

由此可以推出一个能够自行检验的判断：

腕转带来的增益，与目标结构偏离“切口—目标”连线的程度成正比。

目标越深，朝向越偏离这条连线，腕转的价值就越大。深盆腔内的尿道膀胱吻合、肾门附近的缝合、狭窄腔隙内的连续缝合，都属于这一类。

反过来，面对表浅且正对切口方向的结构时，腕转带来的增益本来就很小。

这正是“有些手术中，机器人好像没有明显优势”的技术原因，而不一定是设备的问题。

七自由度的另一面：同一个位姿，有很多种摆法

自由度多于六个，好处是姿态自由，副作用是解不唯一。

同一个器械末端位姿，机械臂可以通过多组不同的关节角度实现。系统会根据内部优化准则选择其中一组，但这一组未必是术者心里设想的姿态。

现象上可能表现为：器械末端已经到达想去的位置，机械臂肘部或器械腕部却形成了一个别扭的姿态。再向前移动一点，就可能碰到另一条机械臂或者接近关节限位。

这是系统在多组冗余解中选择了一个靠近边界的分支。

处理办法通常不在器械末端，而在上游。术者可以离合回中，或者将器械退出少许后重新接近目标，让系统在另一组关节解上重新收敛。

在腕式器械上，“退一步再来”往往比“继续向前顶”更有效。

# 腕关节怎么驱动：两条主流路线

腕关节位于患者体内，驱动源却在体外。怎样把动力传递到器械远端，是不同器械构型产生差异的真正来源。

丝传动，也叫腱驱动，是目前较为成熟的方案。

钢丝或高分子腱绳绕过滑轮，将电机运动传递到远端关节。它的优势是结构紧凑、力传递效率较高，而且已经经过较充分的工程验证。

它的代价是迟滞。

腱绳存在回程间隙，受载后会伸长，滑轮和导向面也会逐渐磨损。术者感知到的现象是：换向的瞬间，手已经移动了一点，器械却暂时不动，随后才突然跟上。

这个现象在新器械上通常很轻微，在使用次数接近上限的器械上可能更加明显。

连续体结构，也叫弹性骨架，采用的是另一条路线。

它不依赖离散关节和滑轮，而是通过多根弹性细杆或镍钛管的协同推拉，让整段器械连续弯曲。

这种结构没有滑轮，容易做得更细，也更容易通过狭窄通道，因此在单孔平台上更为常见。

它的代价是刚度。

连续弯曲结构在弯曲状态下抵抗侧向载荷的能力通常弱于刚性关节。负载增大时，器械的姿态精度可能下降。牵拉厚重组织时，这个差异可能被术者直接感受到。

此外，还有铰链加推杆等混合方案。这些方案本质上都在“刚度、尺寸、可靠性”三个维度之间寻找平衡点，没有一条路线能在所有维度上同时占优。

# 腕转也带来了一个新的风险

支点效应被削弱后，多出来的不只是自由度。

腹腔镜时代，器械的走向可以根据体外器械杆的姿态倒推。即使器械的某一段暂时不在视野内，术者对它的位置仍有基本判断。

腕式器械打破了这种对应关系。器械末端可以朝任意方向弯曲，而弯曲后的腕关节和器械杆完全有可能落在镜头视野之外。

真正的风险点不只是钳口，还包括钳口后方的腕关节与器械杆。它们在体内的位置不能再单纯依靠直觉推断，机器人系统也不会自动替术者“看见”这些结构。

不少机器人手术中的非计划性副损伤，发生位置都不在术者当时注视的区域。

由此引出一条与自由度直接相关的操作纪律：

器械进出或大幅调整姿态时，尖端必须处于视野内；位于视野外的器械，唯一安全的状态是不动。

这条纪律在腹腔镜时代有时可以依靠体外杆的方向进行补偿，在腕式器械上不能打折扣。

# 器械的使用次数上限，是一条疲劳曲线

限次使用常被理解为一种商业设计，但它首先是一个工程结论。

腱绳在反复加载后会伸长，滑轮与导向面会磨损，密封件也会老化。这些变化的直接后果是迟滞增大、末端定位误差增大和夹持力衰减。

厂家通过疲劳试验确定的使用次数，是器械性能仍处于允许误差范围内的边界，而不是“超过一次就会立即损坏”的边界。

对术者的实际含义是：同一型号的器械，在使用寿命初期和末期的手感并不完全相同。

当某把器械出现明显的换向迟滞，或者夹持不如预期牢靠时，除了检查操作方式，也值得看一眼器械的剩余使用次数。

# 本期科技备忘

本文附《腕式器械自由度科技备忘卡片》，可长按保存。成为懂科技的医生，从算清一笔自由度的账开始。

在哪一类手术中最能感受到腕转的价值？欢迎在评论区留下你的判断。MedRobot会挑出最典型的问题，在后续文章中作答。