黃芳琳，朱鋒杰（通信作者），徐彪，張鞠成，褚永華

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院 （浙江 杭州 310009）

手術(shù)的微創(chuàng)化、精準化已成為外科學(xué)發(fā)展的必然趨勢。目前主流的腹腔鏡手術(shù)仍然存在手術(shù)器械轉(zhuǎn)動角度小、手術(shù)視野盲區(qū)大、精確度低等缺點[1]。手術(shù)機器人的應(yīng)用，在一定程度上克服了傳統(tǒng)腹腔鏡的限制，既提高了手術(shù)器械的靈活性，又提升了手術(shù)操作的精準性，還擴大了手術(shù)視野。這或許預(yù)示著外科手術(shù)信息化處理時代的開始和第三代外科手術(shù)時代的到來。

據(jù)達芬奇公司統(tǒng)計，目前浙江省共有18 臺達芬奇手術(shù)機器人，其中省級三甲醫(yī)院配有15 臺（第三代4 臺，第四代11 臺），市級三甲醫(yī)院2 臺（第四代），私立醫(yī)院1 臺（第四代）。達芬奇手術(shù)機器人作為第三類醫(yī)療器械管理，具有較高的固有風險和使用風險。美國急救醫(yī)學(xué)研究所（Emergency Care Research Institute ，ECRI）發(fā)布的《2020 年十大醫(yī)療技術(shù)安全隱患》指出，未完成風險評估和分析而執(zhí)行機器人手術(shù)操作，可能導(dǎo)致非預(yù)期的后遺癥等嚴重手術(shù)事故[2]。2022 年，浙江省85%以上的達芬奇手術(shù)機器人設(shè)備購買了保修服務(wù)。盡管如此，機器人發(fā)生故障時，正確分析故障類型和原因，不僅可以縮短維修周期，對后續(xù)檢修也具有重要意義。

1 達芬奇手術(shù)室機器人的構(gòu)成與工作原理

如圖1 所示，達芬奇手術(shù)機器人由三部分組成：醫(yī)師控制系統(tǒng)（醫(yī)師操作臺）、床旁機械臂控制系統(tǒng)和成像系統(tǒng)（影像平臺車）[3]。一般來說，主刀醫(yī)師在醫(yī)師操作臺上操作，系統(tǒng)將醫(yī)師的操作動作精準傳遞至機械臂，轉(zhuǎn)化為機械臂末端器械在患者體腔內(nèi)的動作，且手術(shù)部位的三維（3D）圖像實時顯示在成像系統(tǒng)顯示屏，3 個系統(tǒng)相輔相成幫助醫(yī)師完成復(fù)雜的外科手術(shù)[4-5]。

圖1 達芬奇手術(shù)機器人的結(jié)構(gòu)組成

（1）醫(yī)師控制系統(tǒng)。醫(yī)師操作臺擺放在手術(shù)間無菌區(qū)域外，由計算機系統(tǒng)、監(jiān)視器、操作手柄及輸出設(shè)備等部分組成，是手術(shù)機器人的控制核心[1]。主刀醫(yī)師坐于操作臺前，通過操作 2 個主控制器（雙手）及腳踏（雙腳）來控制手術(shù)器械和三維高清內(nèi)窺鏡。通過3D 立體目鏡可觀察到醫(yī)師指尖動作和手術(shù)器械同步進行[3]。（2）床旁機械臂控制系統(tǒng)。床旁機械臂控制系統(tǒng)一般包括 2～3 支工作臂及 1 支持鏡臂，是手術(shù)機器人的操作部分。相比傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)，持鏡臂持鏡比助手醫(yī)師扶鏡獲得的圖像更加穩(wěn)定。工作臂共有7 個自由度，同步傳遞主刀醫(yī)師指尖動作至器械末端，完成手術(shù)操作。相比傳統(tǒng)腹腔鏡器械的4 個自由度，工作臂操作手術(shù)器械更加精細、靈活。（3）成像系統(tǒng)。此系統(tǒng)擺放在手術(shù)間無菌區(qū)域外，一般包括顯示器、影像處理設(shè)備、核心處理器，是手術(shù)機器人的重要組成部分，一般由巡回護士操作，并可擺放刻錄機等各類輔助手術(shù)設(shè)備[3]。手術(shù)機器人的內(nèi)窺鏡均為高分辨率3D 鏡頭，且能放大手術(shù)視野十倍數(shù)以上，幫助醫(yī)師獲得患者手術(shù)部位的三維立體高清影像，提升手術(shù)精確度。

2 故障一

2.1 故障現(xiàn)象

如圖2 所示，型號為IS3000 的達芬奇手術(shù)機器人的醫(yī)師操作臺右眼視野顯示屏黑屏，開機無報錯信息。

圖2 機器人故障現(xiàn)象圖

2.2 故障分析及處理

故障分析。根據(jù)3D 視頻信號傳輸順序，故障分析區(qū)塊主要分為攝像模塊（信號源）、傳輸鏈路、顯示模塊（顯示器）。根據(jù)信號產(chǎn)生及傳輸順序由易到難依次排查。

故障處理。攝像模塊分為攝像頭、光纖、內(nèi)鏡、光源、攝像主機；鏈路模塊主要分為2 路高清信號傳輸線；顯示模塊主要分為左、右眼信號顯示屏。首先，拆除無菌套并斷開攝像頭和內(nèi)鏡連接，檢查內(nèi)鏡。如圖3 所示，內(nèi)鏡分為左右眼通路及對應(yīng)光路，檢查通路內(nèi)透鏡，發(fā)現(xiàn)右眼通路內(nèi)透鏡破碎，由此判斷內(nèi)鏡故障；然而，攝像頭脫離內(nèi)鏡后右眼顯示屏依舊是黑屏狀態(tài)，說明除此之外仍有故障點。于是，更換內(nèi)鏡，拆開醫(yī)師操作臺顯示屏后蓋（見圖4），調(diào)換左右眼信號源，發(fā)現(xiàn)右眼信號源接入左眼顯示屏后可以正常顯示，左眼信號源接入右眼顯示屏后變成黑屏，故可判斷，更換新內(nèi)鏡后信號源、鏈路均已正常，故障點在顯示模塊。通過查詢達芬奇手術(shù)機器人手冊，得知顯示屏供電電壓為 12 V。使用萬用表測量顯示屏供電電壓，左眼顯示屏供電正常，右眼顯示屏供電為 0 V。斷開醫(yī)師操作臺電源，重新焊接連接線并啟動機器，發(fā)現(xiàn)供電恢復(fù)正常，右眼顯示正常。以此證明故障原因為電插座口的連接線破裂。

圖3 機器人光學(xué)鏡故障分析

圖4 醫(yī)師操作臺顯示屏

3 故障二

3.1 故障現(xiàn)象

型號為 IS4000 的達芬奇手術(shù)機器人工作時，影像平臺車發(fā)出的風扇噪聲變得異常（風扇聲音忽大忽小），無法判斷聲音來源。

3.2 故障分析及處理

故障分析。如圖5 所示，根據(jù)影像平臺車的組成，異常風扇噪聲的來源可以定位到電能量平臺、影像處理中心和核心（Core）。

圖5 影像平臺車示意圖

故障處理。（1）電能量平臺未配備風扇，因此不存在風扇噪聲；影像處理中心包括內(nèi)窺鏡控制器（endoscope controller，EC）和圖像處理器（vision processor，VP），內(nèi)部均帶有風扇，前置蓋板下有濾網(wǎng)（見圖6）；Core 內(nèi)部有3 把比較大的散熱風扇，前蓋板下也有濾網(wǎng)（見圖6）。所以，異常風扇噪聲應(yīng)該來自EC、VP 或Core。檢查濾網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)有很多毛絮狀灰塵匯聚在進風口的濾網(wǎng)上，灰塵為手術(shù)布巾掉落的棉絮（見圖6）。清理并重新安裝濾網(wǎng)后使用一段時間，發(fā)現(xiàn)影像平臺車仍然存在異常風扇噪聲，但發(fā)生頻率下降，說明除此之外仍有故障點。（2）風扇噪聲大小與風扇轉(zhuǎn)速存在明顯關(guān)聯(lián)，設(shè)備內(nèi)部如果過熱，則會導(dǎo)致風扇轉(zhuǎn)速增加，從而引起風扇聲音異常增大?？紤]到最大的發(fā)熱源為內(nèi)窺鏡的光源，所以重點排查影像處理中心的散熱情況。通過查詢達芬奇手術(shù)機器人手冊，得知影像處理中心的VP 確實配備3 把散熱風扇。由于VP 無法拆卸，通過查詢達芬奇工作日志（見圖7），發(fā)現(xiàn)日志上存在溫控代碼833（溫度偏高報警開始的下限值），與風扇異常噪聲出現(xiàn)的時間點吻合。代碼中的VCI2 定位指向VP 主控板的溫控單元，通過進制轉(zhuǎn)換，當前記錄的溫度數(shù)值為27.2 ℃[0x51（16 進制）-＞ 81 ℉（十進制）-＞ 27.2 ℃]。由此判斷，當系統(tǒng)檢測到內(nèi)部溫度超過 27 ℃時，VP 散熱風扇會提高轉(zhuǎn)速以增加散熱，避免機器內(nèi)部過熱而發(fā)生故障（達芬奇最高工作溫度 30 ℃），風扇噪聲忽大忽小就是系統(tǒng)在自我調(diào)節(jié)。（3）為了驗證以上判斷，可通過對比試驗找出溫度臨界點。當手術(shù)室溫度超過 25 ℃，風扇噪聲開始增大，而當手術(shù)室溫度降低到 24 ℃以下，則不再出現(xiàn)該情況。該試驗重復(fù)性良好。為什么運行日志的記錄溫度為27.2 ℃，可能受到3 個因素的影響：濾網(wǎng)在過濾灰塵的同時也減少了進風量，散熱不及時使設(shè)備內(nèi)部溫度略偏高；手術(shù)間的其他設(shè)備散熱影響了局部溫度，使機器人影像平臺周圍的溫度略偏高；手術(shù)間空調(diào)溫度探頭一般并不是特別精準，制冷也有滯后性，室溫可能暫時偏高。

圖6 影像平臺車EC、VP、Core 對應(yīng)濾網(wǎng)

圖7 達芬奇工作日志

4 小結(jié)

為了盡量避免達芬奇機器人發(fā)生故障，建議臨床使用中做到以下3 點：（1）將影像平臺車盡可能遠離手術(shù)床與床旁醫(yī)護人員，盡可能減少灰塵在濾網(wǎng)上聚集；（2）加強質(zhì)控，經(jīng)常檢查電源線有無破損，定期清潔或更換濾網(wǎng)等配件；（3）保證手術(shù)室空調(diào)運行正常，回風口通暢、無堵塞。

雖然達芬奇手術(shù)機器人比其他設(shè)備故障率更低，但其故障原因一般難以判斷，且手術(shù)途中難以及時解決。例如，機械臂控制系統(tǒng)靈活度和柔性不夠，手術(shù)器械無法到達指定手術(shù)部位[6]；手術(shù)機器人主從軌跡跟蹤是根據(jù)主手的絕對位置進行的，但主手和器械末端工作空間的大小不一致，主刀醫(yī)師需反復(fù)切換主手位置來獲取合適的操作空間，這種頻繁切換引起的器械末端劇烈跟隨運動可能會給患者帶來不可預(yù)測的傷害[7]。另外，手術(shù)過程中，機器人系統(tǒng)還可能因為突然停機引發(fā)嚴重的手術(shù)事故。因此，為了解決上述問題，可以開展機器人系統(tǒng)可靠性風險評估，以及關(guān)鍵部件狀態(tài)檢測、故障預(yù)測預(yù)警及預(yù)防維護等研究，保證手術(shù)機器人在手術(shù)過程中的安全性[8]。