手术机器人的人体工程学

来源:荣格国际医疗设备商情

发布时间:2019年6月18日下午 05:06:35

机器人手术如何改变手术的未来? 本文讨论了在机器人手术系统的设计中必须解决的五个基本因素。

机器人设计是一件很艰辛的工作。这些复杂的手术 平台由训练有素的五到七名临床医生组成,其中 包括外科医生、护士和技术人员。通常,外科医生通 过手动操纵装置来控制两到三个多功能微型设备和 3D HD 摄像机。

机器人技术允许医生使用微型电气机械装置来执 行任务,而这些设备的工作永远无法通过医生的手来 进行。这些微型器械能实现更小的切口、手术部位上 更有限的控制和更快的手术。这些最先进的机器人助 手共同帮助病患更快地恢复。在机器人手术中,一切 都与控制有关。而一切控制都源自“矛的尖端”—— 人手,这是手术成功的关键。

关键问题:模仿人的手

外科医生的手动操纵装置是机器人手术中最棘手 的设计挑战之一。精确度和控制是机器人手术的主要 目标。必须针对每只手上三个最“聪明”的手指—— 拇指、食指和中指来优化机器人手术工具。这三个是 最常用的用于执行精确灵巧的任务的手指。人们一天 之中不知有多少次会使用他们最“聪明的握把”,实 现精确的三点控制。

手动操纵装置的设计必须让外科医生以自然不受 阻碍的方式来使用他们的手指,操纵装置本身的设计 也必须具有足够的力反馈来实现触感,同时又不会形 成阻碍。设计时必须考虑如何适应手部尺寸和力量的 差异,从从第 5 百分位女性到第 95 百分位男性。这是 最艰难的部分。同步运动可以优化灵活性和精度,同时也适合各种手部尺寸。手动操纵装置的物理贴合度 很重要,同时它们的行为方式也很重要。

如何做到这一点?

关于系统增益的研究可以追溯到 20 世纪 60 年代, 当时的重点是人的因素和人的表现。研究表明,放大 率和增益是相互关联的。例如,据报道,在玻璃体视 网膜系统中,它们需要高精度并且使用的增益比高达 40:1。到目前为止的实验表明,对于更传统的机器人手 术系统,2:1 至 7:6 的增益比是最佳范围。

学习曲线:学习时间有多长?

有许多关于学习曲线的研究会对专家外科医生与 新手医学生或新手志愿者进行比较。临床研究通常涉 及泌尿科、心胸外科、妇科或普通外科手术中特定程 序或任务的表现。以下是有关机器人技术和腹腔镜技 术的学习曲线的重点:

● 执行简单任务的外科医生若表现出快速学习的 能力,则在腹腔镜和机器人平台上的表现同样出色。

● 外科医生在机器人平台上进行缝合时表现出更 快的学习能力和巅峰状态时间。

● 随着练习时间的延续,手术表现将得到持续改 善,他们能使用机器人系统进行更快的缝合。

● 熟练的腹腔镜外科医生在一开始和练习后都能 在更短的时间内完成机器人任务。

有趣的是,进步最大的是腹腔镜经验最少的参与 者这组。并且,在腹腔镜和机器人平台上学习外科手术的基本技能具有陡峭的学习曲线,并 且在少至 5-10 次手术后会到达技能“高 原”。 不过学习曲线会受到工作负荷 的影响。

工作负荷:他们在想什么?

工作负荷是机器人手术中需要考虑 的关键设计因素。这是个人必须做的工 作负荷,或个人对工作负荷的看法。人 类可以有效应对的工作负荷是有限的。 在考虑工作负荷时,可以将其分解为体 力劳动负荷和认知工作负荷。

体力劳动负荷是通过身体与工具或 环境的相互作用以及这些相互作用对身 体的影响来衡量的,包括姿势、重复运 动、工作场所布局、材料处理、肌肉骨 骼压力以及任何相关的伤害或障碍。

认知工作负荷是指一个人可以使用 的精神资源,他们用来思考、记忆、感 知运动反应、知觉和压力。每个人都有 一个固定的认知上限,当超过时会降低 思考、判断和决策能力。在设计时,应 考虑如何更好地将外科医生的这些精神 资源集中在外科手术本身。

以下是工作负荷如何与外科医生的 舒适度、压力和认知负荷相互作用:

● 腹腔镜手术比一般手术需要更多 的体力劳动。

● 腹腔镜手术期间的体力工作量需 求大于机器人手术。

● 与腹腔镜手术相比,在进行机器 人手术时,颈部、手臂、肩部和背部的 肌肉活跃水平较低。

● 腹腔镜和机器人外科医生在执行机 器人任务时表现出较低的身体工作负荷。

● 使用机器人手术系统时,新手住院医生和专家外科医生都表现出较低的 紧张程度。

● 通过皮肤电导、眨眼和问卷测量 表明,腹腔镜手术任务的压力和注意力 高于机器人任务。

● 据报道,腹腔镜外科医生的职业 症状或损伤发生率高达 87%。

压力

虽然压力和精神负荷是不同的结 构,但认知负荷通常可与生物压力互换 使用。对生物压力的评估涉及测量个体 对刺激事件的反应,这些事件扰乱了他 们的均衡,或者超过了他们的应对能力。 用于测量生物压力的生理测量包括平均 心率、心率变化、眨眼率和皮肤电导。 虽然应用并不广泛,但设计师在测试新 的想法、概念和原型时会使用这些类型 的指标来衡量外科医生的表现。

镜子:反向运动 VS 真实的运动

在传统的腹腔镜手术中,沿一个方 向移动机器人设备会让体内的末端点沿 相反方向移动。这被称为支点效应。例 如,将外科医生的手向下移动会使设备 末端点向上移动,反之亦然。一切都是 反向的,这给新手外科医生带来了挑战。

经验丰富的腹腔镜外科医生已经学 会了在反向运动中进行操作,通过在脑 海中进行连续的实时计算,将他们所看 到的东西翻转成正在做的事情。无论经 验丰富的腹腔镜外科医生如何处理反向 运动,事实上,实时进行这样的自动调 整是以外科医生的认知资源为代价的。 显然,在反向运动中进行实时调整所消 耗的认知资源,会抢夺原本应该用于外 科手术本身的认知资源,而不是对传统 腹腔镜设备设计的补偿。

未来

手术机器人行业正炙手可热。虽 然只有少数公司能够在这个领域立 足,但所有公司都是重要的全球巨头。 Intuitive Surgical 是该行业的先驱,仍 然占据主导地位。包括强生、谷歌、 史赛克和美敦力在内的其他公司都在 以某种方式向手术机器人领域迈进。 每个人都在试图将他们的平台与竞争 对手区分开来。

很难否认机器人正在改变手术本 身。机器人技术可提高外科医生的表现, 减少手术侵入性,并为病人带来更快的 恢复时间。随着越来越多的竞争出现在 这一领域,随着这个行业从垄断变为开 放,系统成本将会走低。

随着技术的发展,增强现实(AR) 和虚拟现实(VR)将在人机交互中发 挥更重要的作用。这将降低机器人平台 的物理尺寸和复杂性,转变为更小的灵 活设计,更好地适应目前的各种医院架 构。手术机器人的未来不会是单一的, 而是将纳米式手术工具、皮肤和体内微 型可穿戴设备以及组织 / 器官可视化技 术融合在一起,这将使外科医生能够看 到他们以前从未见过的东西。

本文介绍了机器人手术系统设计 中的五个关键成功因素。无论这些机 器人手术系统有多复杂,它们的成功 都可以归结为成功的人机交互设计, 使外科医生能够以自然、直观和无障 碍的方式工作。

 

 

作者:Bryce Rutter 博士

Metaphase Design Group Inc.

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