基于FLEXMIN控制軟件開發(fā)用于微創(chuàng)單孔手術(shù)的遙控外科手術(shù)機(jī)器人

作者：Christian Hatzfeld 和 Johannes Bilz

與傳統(tǒng)的開放手術(shù)相比，通過小切口（或稱為孔）進(jìn)行的微創(chuàng)手術(shù) (MIS) 可以減少組織創(chuàng)傷，從而幫助患者更快恢復(fù)，減少疼痛，并縮小疤痕組織。單孔手術(shù)能夠更進(jìn)一步減少創(chuàng)傷。在單孔手術(shù)中，外科醫(yī)生將一根薄壁的管子插入一個(gè)小切口內(nèi)，使用管內(nèi)的腹腔鏡器械進(jìn)行手術(shù)。這些手術(shù)也可以通過自然腔道（如肚臍、喉嚨或肛門）進(jìn)行，根本不需要任何切口。

傳統(tǒng)的單孔方法并非沒有缺點(diǎn)。例如，它們使外科醫(yī)生不得不在狹窄的工作空間內(nèi)使用會(huì)限制操作靈活性的剛性器械進(jìn)行手術(shù)。這些限制會(huì)導(dǎo)致器械位置頻繁變動(dòng)和器械相互碰撞。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們?cè)O(shè)在達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的研究小組開發(fā)了 FLEXMIN，這是一種通過自然腔道進(jìn)行單孔手術(shù)的遙控外科手術(shù)機(jī)器人。我們采用基于模型的設(shè)計(jì)方法開發(fā)了用于 FLEXMIN 的控制軟件。這種方法使我們能夠?qū)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行建模，為它的 20 個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，并為實(shí)時(shí)目標(biāo)生成控制代碼，所有這些操作都在同一個(gè)環(huán)境中完成。

1.FLEXMIN 硬件架構(gòu)

FLEXMIN 系統(tǒng)由兩個(gè)硬件子系統(tǒng)組成：觸覺接口和體內(nèi)機(jī)器人。實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)解釋外科醫(yī)生在觸覺接口端所做的動(dòng)作，然后將其轉(zhuǎn)化為電機(jī)指令，從而在腹腔內(nèi)的機(jī)器人末端執(zhí)行器（例如抓鉗、持針器或其他器械）端產(chǎn)生動(dòng)作。

體內(nèi)機(jī)器人的兩個(gè)手臂和一個(gè)內(nèi)窺鏡攝像頭安放在一根直徑為 40 毫米的管子內(nèi)。外科醫(yī)生可通過內(nèi)窺鏡攝像頭看到每個(gè)手臂末端的末端執(zhí)行器。這兩個(gè)手臂由我們?cè)?MATLAB中設(shè)計(jì)的鉸接三腳架結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)用于移動(dòng)該運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)中的三根平行桿，以便準(zhǔn)確定位工具中心點(diǎn) (TCP)（圖 2）。每根桿由兩個(gè)無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。一個(gè)電機(jī)用于平移運(yùn)動(dòng)，而另一個(gè)用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。12 個(gè)電機(jī)安裝在一個(gè)固定到管上的驅(qū)動(dòng)裝置中，通過 EtherCAT 連接到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)。

圖 2. 上：每個(gè)手臂的平行三桿結(jié)構(gòu)。下：用于驅(qū)動(dòng)手臂的驅(qū)動(dòng)裝置。

FLEXMIN 觸覺接口由外科醫(yī)生直接操作。它的結(jié)構(gòu)接近于體內(nèi)機(jī)器人中使用的三腳架結(jié)構(gòu)（圖 3）。抓取和軸向扭矩的力反饋由兩個(gè)無刷直流伺服電機(jī)產(chǎn)生，而另外三個(gè)電機(jī)提供 TCP 三維運(yùn)動(dòng)的觸覺反饋。受控 TCP 的坐標(biāo)使用電機(jī)上的旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行測(cè)量。與體內(nèi)機(jī)器人的組件一樣，觸覺接口中的編碼器和電機(jī)通過 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)鏈接到實(shí)時(shí)目標(biāo)計(jì)算機(jī)。

圖 3. FLEXMIN 觸覺接口。

2.設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制器

我們首先面臨的一個(gè)控制設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是將觸覺接口的三維運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為 TCP 的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。我們用兩個(gè) MATLAB 腳本就完成了這項(xiàng)任務(wù)。第一個(gè)腳本使用觸覺接口中電機(jī)編碼器的數(shù)據(jù)來計(jì)算 TCP 在笛卡爾空間中的期望位置。第二個(gè)則使用 TCP 的此位置來計(jì)算手臂中三根桿的對(duì)應(yīng)位置，以及設(shè)置這些位置所需的電機(jī)指令。

我們的 Simulink控制器模型包含這些 MATLAB 腳本，以及通過 EtherCAT 總線與機(jī)器人的電機(jī)和傳感器之間收發(fā)數(shù)據(jù)的 EtherCAT 模塊。該模型還包括一個(gè)使用 Stateflow建模的大型狀態(tài)圖。我們使用該狀態(tài)圖來初始化電機(jī)控制器和管理整個(gè) FLEXMIN 系統(tǒng)的狀態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)觸覺反饋，我們使用驅(qū)動(dòng)裝置上的六個(gè)傳感器測(cè)量機(jī)器人抓鉗處的器械與組織之間的相互作用力。在對(duì)這些傳感器測(cè)量出的數(shù)據(jù)應(yīng)用帶通濾波器后，我們用它來計(jì)算作用于手臂三根桿上的力。我們還進(jìn)行了額外的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，以基于桿的位置確定 TCP 所受的力。通過這些計(jì)算，我們能夠確定抓鉗受到的實(shí)際作用力，例如，外科醫(yī)生抓取組織并開始拉扯它時(shí)的作用力。我們開發(fā)了一個(gè) Simulink 模型。該模型使用此類力測(cè)量信息來控制觸覺接口的電機(jī)，并為外科醫(yī)生提供高達(dá) 15 牛頓力的觸覺反饋，更新頻率每秒多達(dá) 40 次（圖 4）。

圖 4. 用于控制觸覺接口三個(gè)電機(jī)的 Simulink 模型。

在準(zhǔn)備進(jìn)行硬件測(cè)試時(shí)，我們使用 MATLAB Coder 和 Simulink Coder 從我們的模型中生成了 C 代碼，并使用 Simulink Real-Time 在兩臺(tái)實(shí)時(shí) PC（每個(gè)手臂各有一臺(tái)）上運(yùn)行該代碼。每臺(tái) PC 都配備了 3 GHz Intel酷睿 2 雙核處理器。這種設(shè)置使我們能夠在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)試、調(diào)試和優(yōu)化體內(nèi)機(jī)器人和觸覺反饋接口的實(shí)時(shí)性能。

除了使用實(shí)驗(yàn)室設(shè)置進(jìn)行開發(fā)之外，我們還以獨(dú)立模式使用該設(shè)置。在這種模式下，計(jì)算機(jī)用我們軟件的最新穩(wěn)定版本啟動(dòng)，以便我們能夠向感興趣的研究人員演示我們的系統(tǒng)。這項(xiàng)功能很方便，讓我們能夠以最短的準(zhǔn)備時(shí)間展示我們的工作。

3.外科實(shí)操測(cè)試和后續(xù)步驟

我們與來自蒂賓根大學(xué)附屬醫(yī)院的外科醫(yī)生和學(xué)生們進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)操測(cè)試。除了基本的縫合測(cè)試外，參與者還評(píng)估了 FLEXMIN 在豬模型中進(jìn)行膽囊切除術(shù)時(shí)的靈活性和可用性。參與者表示，該系統(tǒng)的響應(yīng)能力給他們留下了深刻的印象。他們注意到，他們的手和器械同步運(yùn)動(dòng)，毫無遲滯。他們還表示，該系統(tǒng)具有直觀性，可以提供充足的空間，便于在腹腔內(nèi)進(jìn)行手術(shù)操作，這也讓他們大開眼界。

在 FLEXMIN 的后續(xù)版本中，我們計(jì)劃納入預(yù)編程的動(dòng)作（例如，能夠讓針自動(dòng)穿過兩個(gè)標(biāo)記位置），以及抓取壓力的觸覺反饋。這些改進(jìn)可能由我們的同事甚至是新加入小組的學(xué)生來實(shí)現(xiàn)。我們?cè)谘芯恐惺褂?MATLAB 和 Simulink 的一大優(yōu)勢(shì)在于，團(tuán)隊(duì)新成員能夠快速上手我們的項(xiàng)目。在達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)，幾乎所有的本科生和研究生都在他們的課程作業(yè)中用過 MATLAB 和 Simulink。此外，我們采用模塊化的建模方法，這使得小組成員可以基于各自的模塊獨(dú)立工作，然后將這些模塊組合成完整的系統(tǒng)。綜合考量這些因素，我們很容易進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作，甚至將項(xiàng)目移交給其他人。

關(guān)于作者

Christian Hatzfeld 博士負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的觸覺系統(tǒng)小組。他于 2008 年獲得德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)精密工程文憑，并于 2013 年以一篇關(guān)于人類力量感知的論文獲得了博士學(xué)位。他的研究方向包括醫(yī)學(xué)應(yīng)用中任務(wù)特定觸覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、心理物理學(xué)以及在設(shè)計(jì)方法中對(duì)觸覺感知的系統(tǒng)考慮。

Johannes Bilz 是達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)微機(jī)電一體化和醫(yī)療機(jī)器人小組的助理研究員。他擁有達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)精密工程碩士學(xué)位。

審核編輯：郭婷