在单孔微创手术中，一支内窥镜和两到三支手术工具须经同一皮肤切口进入病患体腔。内窥镜须集成照明功能并实现术野的灵活调整，而手术工具须兼顾运动的范围、精准性、灵巧度以及足够的力度。相比于多孔微创手术，单孔腔镜手术器械的排布更加拥挤、内窥镜及手术工具的驱动传动布置更加困难，还要保证临床使用的功能性和可靠性，因此，单孔腔镜手术机器人的研发面临着重大的技术挑战。因此机器人系或将成为2022年医疗设备展Medtec China吸睛单品。

绝大多数单孔腔镜手术机器人采用的设计范式是定位机械臂配合具备全维运动能力的手术工具。如下图所示，定位机械臂在术中操作时静止，其作用是把递送内窥镜和手术工具的多通道鞘管举抬至所需位姿。内窥镜和手术工具可展开为工作姿态进行手术。

图片来源：术锐官网
在这种范式下，内窥镜和手术工具通过多通道单孔鞘套进入病患体腔，驱动手术工具实现大范围、大负载、高可靠的运动成为最关键的技术。

为实现安全有效的单孔腔镜机器人手术，学术界和产业界尝试了各种技术途径，包括钢丝驱动、电机内置驱动、空间连杆驱动、远心运动机构等。但这些技术途径都有着其自身的缺陷，限制了其在临床手术中的应用。

※ 钢丝绳是最常见的驱动方式。以达芬奇SP单孔手术工具[1]为例，其肩部关节的钢丝绳驱动采用滑轮导向，其肘部关节和腕关节则采用钢丝绳直接驱动。当在手术操作过程中，外负载作用于工具末端的执行器上时，外负载对肩部关节的力臂较长，较小负载即会产生较大负载力矩；而肩部关节滑轮的半径（即驱动力臂）较小，驱动绳很大张紧力也只能产生较小力矩，因此该设计下手术工具负载能力较低。另一方面，受限于手术工具臂体的内部空间，其肘关节和腕关节无法布置导向滑轮，致使钢丝绳受到的摩擦较大，运动磨损也较显著。

※ 电机内置型驱动，采用内置于多关节手术臂的小型伺服电机驱动，通过齿轮取代钢丝绳的传动，提高机械臂的负载能力。意大利Ekymed SpA公司的SPRINT系统[2]、美国Virtual Incision公司的MIRA系统（前身为美国内布拉斯加-林肯大学的SISR系统[3]）、香港NISI公司的NSRS系统[4]等主要采用这样的设计。该设计采用电机直径通常需要超过10mm，以保证足够的负载，加上必要的减速传动机构，往往造成手术执行臂粗大；而由于电机内置、随机械臂进入体腔，手术臂的封装和消毒也是额外的技术挑战。

※ 空间连杆型驱动，采用刚性连杆机构构成手术臂，其力学性能较好。但空间连杆机构的设计（包括传动和避免干涉等）具有较大的挑战，较难实现大范围全维运动能力，导致手术臂运动灵活性不足。此外，手术臂结构复杂、加工成本高，受销接关节尺寸等限制，难以小型化。因此，该技术主要在日本早稻田大学[5]、韩国DGIST[6]、韩国汉阳大学[7]的单孔手术机器人研究中使用。

※ 交叉式远心运动机构驱动，采用被动式软杆手术工具，配合刚性弧形中空鞘管的远心运动，实现手术工具在病患体内的运动。为实现单孔手术，所有手术工具均须交叉通过入腹口，因此在双侧手术工具前后运动时会产生手术工具的相互干涉。此外，该构型要求体外定位臂在术中摆动，而定位臂之间布置紧凑、有碰撞风险。韩国科学技术院的Apollon系统[8]和直观外科用于达芬奇系统的Single-Site套件[9]，采用此类技术。为配合刚性弧形中空鞘管，必须采用特殊的柔杆Endowrist®工具，由于该工具有着腕关节自由度不足的缺陷，因此该技术在临床的应用非常受局限。

图片来源：术锐官网
革命性的可形变对偶连续体技术

术锐的手术工具和3D电子内窥镜的蛇形臂体均采用了获得中外专利保护的“可形变对偶连续体机构”设计。如图所示，“可形变对偶连续体机构”由近端构节、导向钢管束以及远端构节组成，超弹性镍钛合金细杆作为结构骨从头至尾贯穿。近端构节的弯转，会带来十余根结构骨的推拉运动，这些推拉运动传递到远端构节，协同将远端构节向相反的方向弯转。采用双构节“可形变对偶连续体机构”设计的手术工具，可将近端构节的驱动电机布置在病人体外，而病人体内的远端构节可在十余根结构骨协同推拉下实现双构节、八方向弯转的灵活运动。

“可形变对偶连续体机构”具有诸多优势：十余根结构骨可同时承受推力和拉力，手术工具蛇形臂体的负载能力显著提高；结构骨冗余布置，其中一根断裂，对手术工具的整体性能几乎没有影响，安全性极高；蛇形臂体具有连续弯曲形变特性，可轻易通过复杂形状腔道，灵活满足单孔手术下各种运动需要。

图片来源：术锐官网
与传统的多关节刚性机器人结构不同，“对偶连续体机构”力学性质复杂、形变模态多样；为实现精准的运动控制，建模时须考虑多种非线性力学的耦合效应，还需满足实时高效计算的运算要求，是门槛极高的系统化关键技术。针对“对偶连续体机构”的运动控制难点，术锐经过数年的技术探索和积淀，独创了弹动力学复合模型，兼顾了耦合效应的补偿机制和轻量解析的运算结构，使其运动控制性能达到国际领先水平。“对偶连续体机构”控制算法精准驾驭蛇形手术臂的运动控制，为医生提供精细流畅的操作体验。春江水暖鸭先知，许多专注于医疗机器人等医械产品设计研发的企业也纷纷入驻2022年医疗设备展Medtec China展会现场，包括迈得Maider，米克朗，赛能，IMA spa，欧赛斯，艾利特等，点击快速预登记，来现场看火热与前沿展品。

关键技术的工程验证

为验证技术的可行性，术锐自主研发了“单多孔模块化腔镜手术机器人系统”工程样机。2022年医疗设备展Medtec China了解到系统由遥操作控制台、手术执行系统和手术设备台车三部分组成，其中手术执行系统包含多架模块化定位臂，每架定位臂上可挂载一支手术工具或内窥镜。通过定位臂与鞘管的灵活布置，手术执行系统可以兼容多孔和单孔两种构型：在多孔构型下，每架定位臂与一个标准的直鞘管连接，分别经各个皮肤切口将手术工具和内窥镜送至病患体内；在单孔构型下，所有定位臂和一个多腔道的鞘管相连，手术工具与内窥镜通过弯曲的多通道鞘管腔道后进入病患体内并展开至工作姿态。

遥操作控制台配备了立体显示器、触摸显示器、踏板组和两台6自由度力交互输入设备，术者通过遥操作控制台可实现直观的手术操作以及对手术流程和设备状态的监控与管理。手术设备台车配备了状态显示器，并可置放冷光源、气腹机、高频能量发生器等设备。

手术过程中，主刀医生操纵控制台的两台力位交互输入设备，在立体三维视觉的引导下，对病患侧手术执行系统内的内窥镜和手术工具实施遥操作控制，实现组织剥离、电切、电凝、缝合等一系列腔内精准操作以及手术视野调整。作为工程样机，该系统集成了术锐所有关键技术以及手术实施的基本功能，系统指标亦达到世界前列水平：手术工具具备全维六自由度运动能力及额外的手术执行器开合控制功能；内窥镜提供1080p高清立体视觉反馈。

该工程样机成功完成了数十例动物实验，涵盖泌尿外科、妇科、普外科、胸外科多种适应症，验证了关键技术“可变形对偶连续体机构”在单孔腔镜手术中的安全性和有效性。但与此同时，该模块化腔镜手术机器人样机系统也难以避免分体式手术机器人系统设计的典型不足，即占据手术床旁面积大、对临床流程干扰较多等。术锐在新一代手术机器人系统设计中进行了大刀阔斧的改进，用户可根据病患手术部位实现不同的定位臂协同摆位和调整，增强了智能自动化的手术流程管理。

来源：智慧医械