達芬奇手術機器人維修案例分析

黃芳琳，朱鋒杰（通信作者），徐彪，張鞠成，褚永華

浙江大學醫學院附屬第二醫院 （浙江 杭州 310009）

手術的微創化、精準化已成為外科學發展的必然趨勢。目前主流的腹腔鏡手術仍然存在手術器械轉動角度小、手術視野盲區大、精確度低等缺點[1]。手術機器人的應用，在一定程度上克服了傳統腹腔鏡的限制，既提高了手術器械的靈活性，又提升了手術操作的精準性，還擴大了手術視野。這或許預示著外科手術信息化處理時代的開始和第三代外科手術時代的到來。

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

1 達芬奇手術室機器人的構成與工作原理

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

圖1 達芬奇手術機器人的結構組成

（1）醫師控制系統。醫師操作臺擺放在手術間無菌區域外，由計算機系統、監視器、操作手柄及輸出設備等部分組成，是手術機器人的控制核心[1]。主刀醫師坐于操作臺前，通過操作 2 個主控制器（雙手）及腳踏（雙腳）來控制手術器械和三維高清內窺鏡。通過3D 立體目鏡可觀察到醫師指尖動作和手術器械同步進行[3]。（2）床旁機械臂控制系統。床旁機械臂控制系統一般包括 2～3 支工作臂及 1 支持鏡臂，是手術機器人的操作部分。相比傳統腹腔鏡手術，持鏡臂持鏡比助手醫師扶鏡獲得的圖像更加穩定。工作臂共有7 個自由度，同步傳遞主刀醫師指尖動作至器械末端，完成手術操作。相比傳統腹腔鏡器械的4 個自由度，工作臂操作手術器械更加精細、靈活。（3）成像系統。此系統擺放在手術間無菌區域外，一般包括顯示器、影像處理設備、核心處理器，是手術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設備[3]。手術機器人的內窺鏡均為高分辨率3D 鏡頭，且能放大手術視野十倍數以上，幫助醫師獲得患者手術部位的三維立體高清影像，提升手術精確度。

2 故障一

2.1 故障現象

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

圖2 機器人故障現象圖

2.2 故障分析及處理

故障分析。根據3D 視頻信號傳輸順序，故障分析區塊主要分為攝像模塊（信號源）、傳輸鏈路、顯示模塊（顯示器）。根據信號產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鏡連接，檢查內鏡。如圖3 所示，內鏡分為左右眼通路及對應光路，檢查通路內透鏡，發現右眼通路內透鏡破碎，由此判斷內鏡故障；然而，攝像頭脫離內鏡后右眼顯示屏依舊是黑屏狀態，說明除此之外仍有故障點。于是，更換內鏡，拆開醫師操作臺顯示屏后蓋（見圖4），調換左右眼信號源，發現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。斷開醫師操作臺電源，重新焊接連接線并啟動機器，發現供電恢復正常，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 機器人光學鏡故障分析

圖4 醫師操作臺顯示屏

3 故障二

3.1 故障現象

型號為 IS4000 的達芬奇手術機器人工作時，影像平臺車發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窺鏡控制器（endoscope controller，EC）和圖像處理器（vision processor，VP），內部均帶有風扇，前置蓋板下有濾網（見圖6）；Core 內部有3 把比較大的散熱風扇，前蓋板下也有濾網（見圖6）。所以，異常風扇噪聲應該來自EC、VP 或Core。檢查濾網，發現有很多毛絮狀灰塵匯聚在進風口的濾網上，灰塵為手術布巾掉落的棉絮（見圖6）。清理并重新安裝濾網后使用一段時間，發現影像平臺車仍然存在異常風扇噪聲，但發生頻率下降，說明除此之外仍有故障點。（2）風扇噪聲大小與風扇轉速存在明顯關聯，設備內部如果過熱，則會導致風扇轉速增加，從而引起風扇聲音異常增大。考慮到最大的發熱源為內窺鏡的光源，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），發現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，通過進制轉換，當前記錄的溫度數值為27.2 ℃[0x51（16 進制）-＞ 81 ℉（十進制）-＞ 27.2 ℃]。由此判斷，當系統檢測到內部溫度超過 27 ℃時，VP 散熱風扇會提高轉速以增加散熱，避免機器內部過熱而發生故障（達芬奇最高工作溫度 30 ℃），風扇噪聲忽大忽小就是系統在自我調節。（3）為了驗證以上判斷，可通過對比試驗找出溫度臨界點。當手術室溫度超過 25 ℃，風扇噪聲開始增大，而當手術室溫度降低到 24 ℃以下，則不再出現該情況。該試驗重復性良好。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：濾網在過濾灰塵的同時也減少了進風量，散熱不及時使設備內部溫度略偏高；手術間的其他設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；手術間空調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 對應濾網

圖7 達芬奇工作日志

4 小結

為了盡量避免達芬奇機器人發生故障，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床與床旁醫護人員，盡可能減少灰塵在濾網上聚集；（2）加強質控，經常檢查電源線有無破損，定期清潔或更換濾網等配件；（3）保證手術室空調運行正常，回風口通暢、無堵塞。

雖然達芬奇手術機器人比其他設備故障率更低，但其故障原因一般難以判斷，且手術途中難以及時解決。例如，機械臂控制系統靈活度和柔性不夠，手術器械無法到達指定手術部位[6]；手術機器人主從軌跡跟蹤是根據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，主刀醫師需反復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測的傷害[7]。另外，手術過程中，機器人系統還可能因為突然停機引發嚴重的手術事故。因此，為了解決上述問題，可以開展機器人系統可靠性風險評估，以及關鍵部件狀態檢測、故障預測預警及預防維護等研究，保證手術機器人在手術過程中的安全性[8]。