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作者：黄芳琳、朱凤杰（通讯作者）、徐彪、张巨成、褚永华
单位：浙江大学医学院附属第二医院（浙江杭州）
［关键词］达·芬奇；手术机器人；失败;维护
〔中文图书馆分类号〕R197.39〔文献识别码〕B
[文章编号]1002-2376 (2024) 04-0110-03
基金项目：浙江省科技厅领雁项目（）；国家卫健委科研基金-浙江省医疗卫生重大科技计划项目（WKJ-ZJ-2334）
微创、精准手术已成为外科发展的必然趋势。目前主流的腹腔镜手术仍存在手术器械旋转角度小、手术视野盲区大、精度低等缺点[1]。手术机器人的应用在一定程度上克服了传统腹腔镜的局限性，不仅提高了手术器械的灵活性，而且提高了手术操作的准确性，扩大了手术视野。这或许预示着外科信息处理时代的开始和第三代外科时代的到来。
据达芬奇公司统计，目前浙江省已有达芬奇手术机器人18台，其中省级三级医院15台（三代4台、四代11台）、市三级医院2台医院（第四代11家单位）。第四代），1家私立医院（第四代）。达芬奇手术机器人作为第三类医疗器械，其固有风险和使用风险较高。美国急诊医学研究所（Care，ECRI）发布的《2020年十大医疗技术安全隐患》指出，在没有完成风险评估和分析的情况下进行机器人手术可能会导致意想不到的后遗症和其他严重手术事故[2]。 2022年，浙江省85%以上的达芬奇手术机器人设备购买了保修服务。尽管如此，当机器人出现故障时，正确分析故障类型和原因不仅可以缩短维修周期，而且对后续维修也具有重要意义。
1 达芬奇手术室机器人的组成及工作原理
如图1所示，达芬奇手术机器人由三部分组成：医师控制系统（医师控制台）、床边机械臂控制系统、成像系统（成像平台车）[3]。一般来说，主刀医生在医生的手术台上进行手术，系统将医生的操作动作精确地传输到机械臂，将其转化为机械臂末端器械在患者体腔内的运动，并进行三维三维扫描。 (3D)手术部位的图像实时显示在影像系统显示屏上，三个系统相辅相成，帮助医生完成复杂的手术操作[4-5]。
图1 达芬奇手术机器人结构组成
(1)医师控制系统。医生控制台放置在手术室无菌区外。它由计算机系统、显示器、操作手柄、输出设备组成。它是手术机器人的控制核心[1]。主刀医生坐在手术台前，通过操作两个主控制器（手）和踏板（脚）来控制手术器械和三维高清内窥镜。通过3D立体目镜，可以同时观察医生的指尖动作和手术器械[3]。 (2)床边机械臂控制系统。床边机械臂控制系统一般包括2～3个工作臂和1个支撑镜臂，是手术机器人的操作部分。与传统腹腔镜手术相比，镜臂手持镜子获得的图像比助理医师手持的图像更稳定。工作臂共有7个自由度，将手术者的指尖运动同步传递到器械末端，完成手术操作。与传统腹腔镜器械的4个自由度相比，工作臂操作手术器械更加精准、灵活。 (3)成像系统。该系统放置在手术室无菌区外。一般包括显示器、图像处理设备、核心处理器等。它是手术机器人的重要组成部分。一般由流动护士操作，可放置记录仪等各种辅助手术设备。 [3]。手术机器人的内窥镜均为高分辨率3D镜头，可以将手术视野放大十倍以上，帮助医生获得患者手术部位的三维高清图像，提高手术精度。
2 故障一
2.1 故障现象
如图2所示，达芬奇手术机器人模型的医生控制台右眼视野显示为黑色，开机时没有报错信息。
图2 机器人故障现象图
2.2 故障分析及处理
故障分析。根据3D视频信号传输顺序，故障分析块主要分为摄像头模块（信号源）、传输链路、显示模块（监视器）。根据信号产生和传输的顺序，从易到难依次检查。
故障排除。摄像头模组分为摄像头、光纤、内窥镜、光源、摄像头主机；链路模块主要分为2根高清信号传输线；显示模块主要分为左眼信号显示屏和右眼信号显示屏。首先，取下无菌护套并断开相机和内窥镜的连接以检查内窥镜。如图3所示，内窥镜分为左眼通道和右眼通道以及对应的光路。检查通道内镜片后，发现右眼通道内镜片破损，说明内窥镜有故障；但是，将摄像头与内窥镜分离后，右眼显示屏幕仍然是黑屏，表明仍然存在故障点。于是更换内窥镜，打开医生控制台显示屏后盖（见图4），切换左右眼信号源。发现右眼信号源连接左眼显示屏后可以正常显示，左眼信号源连接右眼显示屏。查看显示屏幕后，变成黑屏，因此可以判断更换新内窥镜后信号源和链路均正常，故障点为显示模块。通过查阅达芬奇手术机器人说明书得知，显示器供电电压为12V。用万用表测量显示器的供电电压。左眼显示器供电正常，右眼显示器供电为0V。断开医生控制台电源，重新焊接连接线并启动机器。发现供电恢复正常，右眼显示正常。这证明故障原因是电源插座处的连接线损坏。
图3 机器人光学镜失效分析
图 4 医生控制台显示屏
3 故障2
3.1 故障现象
达芬奇手术机器人模型工作时，成像平台车发出的风扇噪音出现异常（风扇声音变大变小），且无法确定声音来源。
3.2 故障分析及处理
故障分析。如图5所示，根据成像平台车辆的构成，风扇异常噪声的来源可位于电能平台、图像处理中心和核心（Core）。
图5 成像平台车示意图
故障排除。 （1）电能平台没有配备风扇，因此没有风扇噪音；图像处理中心包括内窥镜控制器（EC）和图像处理器（VP），两者在前盖内部和下方均配有风扇。过滤器（见图6）； Core内部有3个比较大的散热风扇，前盖下方还有一个过滤器（见图6）。因此，异常的风扇噪音应该来自EC、VP或Core。检查过滤网，发现进风口的过滤网上聚集了大量绒毛状的灰尘。灰尘是从手术巾上掉落的棉绒（见图 6）。清洗并重新安装过滤网并使用一段时间后，发现成像平台车仍有异常风扇噪音，但出现频率下降，说明另外还存在故障点。 (2)风扇噪声与风扇转速之间存在明显的相关性。如果设备内部过热，风扇速度会加快，导致风扇声音异常增大。考虑到最大的热源是内窥镜光源，我们重点研究图像处理中心的散热问题。通过查阅达芬奇手术机器人的说明书，我们得知图像处理中心的VP确实配备了3个散热风扇。由于VP无法拆解，通过查询达芬奇工作日志（见图7），发现日志中有温控代码833（高温报警启动下限值），与风扇异常噪音发生的时间。代码中的VCI2位置指向VP主控板的温控单元。通过基数转换，当前记录的温度值为27.2℃[0x51（十六进制）->81°F（十进制）->27.2℃]。由此看来，当系统检测到内部温度超过27℃时，VP散热风扇会加快转速以增加散热，避免机器内部过热而导致故障（达芬奇最高工作温度为30℃） 。风扇噪音突然变大变小。系统会自我调节。 (3)为了验证上述判断，可以通过对比实验找到温度临界点。当手术室温度超过25℃时，风扇噪音开始增大，当手术室温度降至24℃以下时，这种情况不再出现。该测试是可重复的。为什么运行日志中记录的温度为27.2℃，可能受三个因素影响：过滤器过滤灰尘的同时也减少了进风量，散热不及时导致设备内部温度略高；手术室内其他设备的散热影响局部温度，使得机器人成像平台周围的温度略高；手术室的空调温度探头一般都不是特别准确，而且制冷也存在滞后，所以室温可能会暂时偏高。
图6 成像平台车的EC、VP、Core对应的滤波器
图7 达芬奇的工作日志
4 总结
为了避免达芬奇机器人出现故障，建议在临床使用过程中做好以下三点：（1）成像平台推车尽可能远离手术床和床边医护人员，尽量减少积聚。过滤器上有灰尘； (2)加强质量控制，经常检查电源线是否损坏，定期清洁或更换过滤网等配件； (3)保证手术室空调运行正常，回风口顺畅、畅通。
虽然达芬奇手术机器人的故障率比其他设备低，但其故障原因一般难以确定，在手术过程中也难以及时解决。例如，机械臂控制系统不够灵活，手术器械无法到达指定手术部位[6]；手术机器人的主从轨迹跟踪是基于主手的绝对位置，但主手和仪器末端的工作空间大小不一致。 ，外科医生需要反复切换主手的位置以获得合适的手术空间。如此频繁的开关引起的仪器端部的剧烈跟随运动可能会对患者造成不可预测的伤害[7]。此外，在手术过程中，机器人系统可能会因突然停机而造成严重的手术事故。因此，为了解决上述问题，可以开展机器人系统可靠性风险评估、关键部件状态检测、故障预测预警、预防性维护等方面的研究，以保证手术机器人在手术过程中的安全[8]。
【参考】
[1]杜向民，张永寿。达芬奇手术机器人系统介绍及应用进展[J].中国医疗器械，2011，8(5)：60-63。
［2］：2020年ECRI Top 10[J]. , 2020, 50(2): 21-23。
[3] 杨立晓，侯正松，汤伟，等。近年来手术机器人的发展[J].中国医疗器械杂志, 2023, 47(1): 1-12.
[4] 张伟.达芬奇机器人手术系统——原理、系统组成及应用[J].中国医疗器械信息，2015（3）：24-25、33。
[5]安芳芳，景朝霞，彭岩，等。达芬奇机器人的“前世、今生、来世”[J].中国医疗器械, 2020, 35(7): 148-151, 168.
[6] 张建宁，刘家林。手术机器人推动神经外科进入新时代[J].四川大学学报（医学版）, 2022, 53(4): 554-558.
［7］ MH, F, J. 长骨大开口三机器人[J].机甲机器人学报, 2017, 9(1): 1501.
[8] 颜志远，梁云雷，杜志江。腹腔镜手术机器人技术发展回顾[J].机器人技术与应用，2020（2）：24-29。 |
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