力觸覺反饋系統(tǒng)在現(xiàn)代數(shù)字化外科的應用及研究進展

吳錦陽 綜述 張詩雷 桂海軍 欒楠 沈國芳 審校

力觸覺反饋系統(tǒng)在現(xiàn)代數(shù)字化外科的應用及研究進展

吳錦陽 綜述 張詩雷 桂海軍 欒楠 沈國芳 審校

通過將力觸覺反饋系統(tǒng)應用到現(xiàn)代數(shù)字化外科，為醫(yī)用外科機器人、虛擬現(xiàn)實手術模擬系統(tǒng)及遠程外科提供力觸覺信息，可有效提高外科手術精確性和靈活性、增加手術安全性并縮短手術時間。本文對力觸覺反饋系統(tǒng)在現(xiàn)代數(shù)字化外科的應用及研究進展進行綜述。

力觸覺反饋 數(shù)字化外科 外科機器人 虛擬現(xiàn)實 遠程外科

力觸覺反饋系統(tǒng)目前在工業(yè)、航天航空、軍事、海洋資源開發(fā)等領域已得到廣泛應用，可將機械所處的外界信息進行融合后傳遞給操作者，實現(xiàn)人和機械的信息互動。數(shù)字化外科，是計算機科學、圖形圖像學、機械工程學等領域的先進技術在外科學的集中體現(xiàn)，是一系列嶄新的交叉技術，包括醫(yī)學影像處理、三維重建及可視化技術、計算機輔助設計（Computer-aided design，CAD）、計算機輔助制造（Computer-aided manufacture，CAM）、手術導航（Surgical navigation）、外科機器人技術（Surgical robotics）、虛擬現(xiàn)實技術 （Virtual reality，VR）、遠程外科（Telesurgery）等。本文對力觸覺反饋系統(tǒng)在現(xiàn)代數(shù)字化外科的應用及研究進展進行綜述。

1 概念

力觸覺反饋（Haptic feedback），是指肌肉、關節(jié)等運動時引起的力反饋和皮膚被物體接觸時產生的觸覺反饋。力觸覺反饋系統(tǒng)可以建立起人與機械、機器人以及虛擬環(huán)境之間的聯(lián)系，提供虛擬仿真的力觸覺信息，它的組成包括與工作區(qū)接觸并收集力觸覺信息的傳感器和給操作者傳遞力觸覺感覺并對目標實行控制的操縱器。上世紀90年代，高仿真的力反饋系統(tǒng)已經(jīng)可以從 SensAble Technologies（Woburn，MA，USA）、Immersion（San Jose，CA，USA）等公司購買，但商業(yè)化的觸覺反饋系統(tǒng)至今仍未出現(xiàn)。

2 力觸覺反饋系統(tǒng)在數(shù)字化外科的應用研究

2.1 力觸覺反饋系統(tǒng)與外科機器人

由于傳統(tǒng)外科手術存在技術方法的局限，如外科醫(yī)生的生理性或疲勞性手持器械抖動誤差及操作熟練性差異等，為了充分暴露術區(qū)往往采用擴大的手術切口，術中常需要使用影像檢查進行定位或者驗證，從而出現(xiàn)操作定位精度不足，手術切口較大、影響美觀，術中吸收輻射等不足之處。

為了解決傳統(tǒng)外科手術技術的局限性，自工業(yè)機器人面世以來，外科醫(yī)生與各領域的專業(yè)人員就開始思考和探討如何將機器人技術應用到外科領域。隨著醫(yī)學影像技術、圖像處理技術、計算機技術、機械工程技術的發(fā)展，機器人技術目前在外科手術中已經(jīng)得到越來越廣泛的應用。在神經(jīng)外科，外科機器人能夠成功地進行腦內深部腫物活組織切片檢查、垂體腺瘤切除術、第三腦室造口術、腰椎椎間盤切除術等[1]；在骨科，進行全髖關節(jié)、全膝關節(jié)置換時，利用外科機器人可對植入物的骨通道進行預備[2-3]；在泌尿生殖外科，外科機器人已經(jīng)廣泛用于前列腺切除術、膀胱切除術、腎臟切除術、輸卵管吻合術、子宮肌瘤切除術[4-5]；在胸外科，利用外科機器人能夠對早期肺癌患者順利地進行肺葉切除術[6]；在心臟外科，外科機器人可成功完成二尖瓣修補術和冠狀動脈搭橋術[7]；此外，近些年外科機器人在耳鼻喉科的應用也得到了很好的開展[8]。目前，已經(jīng)商業(yè)化并獲得FDA認證的外科機器人系統(tǒng)有 da Vinci（Intuitive Surgical,Mountain View，CA，USA）、Zeus（Computer Motion，Goleta，CA，USA）、AESOP（Computer Motion，Santa Barbara，CA，USA）、Robodoc（Integrated Surgical Systems，Sacremento，CA，USA）、NeuroMate（Integrated Surgical Systems，Sacramento，CA，USA）、Minerva （University of Lausanne，Lausanne，Switzerland）等。 另外，還有很多用于實驗的機器人正在不斷改進功能和提高安全性，功能完善的專業(yè)化外科機器人將會逐漸進入臨床。

外科機器人技術包括術前采集、分析與處理醫(yī)學影像資料如CT、MRI、DSA、PET-CT等，對圖像進行立體定向設計及虛擬手術規(guī)劃，術中在外科醫(yī)生的操作、監(jiān)控等輔助下，通過外科機器人的執(zhí)行而實現(xiàn)手術方案。然而，外科機器人雖具有操作精度高和穩(wěn)定性強等鮮明特點，但由于其工作末端無法將術區(qū)的力觸覺感覺真實和實時地反饋給外科醫(yī)生，嚴重地約束著外科機器人技術的發(fā)展。為了攻破這一難題，力觸覺反饋系統(tǒng)逐漸應用并整合到外科機器人中。雖然聽覺反饋系統(tǒng)[9]和視覺反饋系統(tǒng)[10]在一定程度上可以幫助外科醫(yī)生了解術區(qū)組織的情況，但在手術可操控性上均無法替代力觸覺反饋系統(tǒng)[11-12]。Okamura[13]認為整合了力觸覺反饋系統(tǒng)的外科機器人可以降低操作時的力量，從而減輕對術區(qū)周圍組織的損傷。Wagner等[14]將力/力矩傳感器安裝到內窺鏡上，在尸體上進行功能性鼻內窺鏡手術時測量周圍組織的力和形變情況，預測組織撕裂或穿破時的閾值，從而限制外科機器人的施力范圍，提高其安全性。最近，Kuchenbecker等[15]研制出VerroTouch力觸覺反饋系統(tǒng)，可以整合到da Vinci機器人系統(tǒng)的操作臂上，能實時地分析操作臂工作末端運動時的高頻率震動并將其反饋給外科醫(yī)生。McMahan等[16]在動物實驗及體內實驗中證實VerroTouch力觸覺反饋系統(tǒng)可以將外科機器人對組織的力刺激減到最小。Jacobs等[17]指出，應用力觸覺傳感系統(tǒng)后，可以縮短手術時間、提高精度及減少失誤。

由此可見，力觸覺傳感系統(tǒng)能夠加強外科醫(yī)生、外科機器人以及患者之間的緊密聯(lián)系，增強外科醫(yī)生的手術感覺，提高機器人的操作精度，減小患者的創(chuàng)傷，是外科機器人未來發(fā)展的一個重要方向。

2.2 力觸覺反饋系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術，是一種模擬人視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人沉浸在計算機生成的虛擬環(huán)境中，并可通過語言、手勢等自然方式與之進行實時交互的高級多維信息技術。在外科領域，虛擬現(xiàn)實技術用于解剖學習和手術培訓，也用于術前規(guī)劃和設計，能夠給操作者提供立體真實感和沉浸感。其優(yōu)點為沒有手術風險、不需直接地接觸患者并可反復練習。如今，醫(yī)療資源越來越緊缺，用于解剖學習的尸體非常有限，而為了保障患者的安全，外科住院醫(yī)生的臨床手術機會也非常少，虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)則可以讓醫(yī)學生及外科初學者得到充分的練習機會。目前，虛擬現(xiàn)實技術主要用于神經(jīng)外科[18]及微創(chuàng)外科[19]的培訓。在口腔頜面外科，虛擬現(xiàn)實技術也已經(jīng)用于種植體植入和正頜外科的培訓[20－21]。

虛擬現(xiàn)實技術的使用，需要將患者的醫(yī)學影像資料導入到虛擬現(xiàn)實模擬器中，經(jīng)過分析處理后模擬形成立體的“真實”患者，操作者可以通過操縱器對該患者進行手術，而術區(qū)的情況可以通過傳感系統(tǒng)及顯示器實時地反饋給操作者。由此可見，力觸覺反饋系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實模擬器的重要組成部分，引起了很多學者的重視。Lemote等[22]研發(fā)的Immersive-Touch虛擬現(xiàn)實平臺，整合了力觸覺反饋系統(tǒng)，在腦室切開術安置引流導管時可以將皮膚、骨骼及大腦的阻力和質地反饋給外科醫(yī)生。Modi等[23]將力觸覺反饋系統(tǒng)整合到膝關節(jié)和肩關節(jié)手術模擬器中，可以有效地提高無經(jīng)驗初學者的操作技能水平。Kusumoto等[20]將力觸覺反饋系統(tǒng)應用到口腔種植手術的虛擬現(xiàn)實平臺中，操作者能感受到磨削和鉆孔的力量，而且能實現(xiàn)精細操作，預備后的種植體窩的位置誤差小于0.2 mm。如果缺少力觸覺傳感系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實技術則不能實現(xiàn)對操作者進行的有效培訓，還可能產生負面影響[24]。而有的學者則提出，在虛擬現(xiàn)實技術中，目前的力觸覺反饋系統(tǒng)在提高初學者的操作能力上尚未體現(xiàn)出其明顯的優(yōu)越性，性能更佳的力觸覺反饋系統(tǒng)仍有待開發(fā)[25]。

虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)對外科的發(fā)展帶來了重大的變革，在不久的將來可能逐漸取代傳統(tǒng)外科的教學和培訓模式。然而，力觸覺反饋系統(tǒng)依然是虛擬現(xiàn)實技術的核心內容，能夠讓醫(yī)學生及外科初學者更真實地熟悉解剖結構及手術過程，不斷開發(fā)和應用力觸覺反饋系統(tǒng)是進一步推廣虛擬現(xiàn)實技術所需要解決的重要難題。

2.3 力觸覺反饋系統(tǒng)與遠程外科

遠程外科，是指外科醫(yī)生通過實時視頻圖像和控制臺，利用外科機器人對異地的患者進行手術。隨著通訊技術蓬勃發(fā)展，結合越發(fā)成熟的外科機器人技術，遠程外科也開始逐漸進入臨床應用。

2001年，美國紐約的外科醫(yī)生通過網(wǎng)絡連接操控法國斯特拉斯堡的外科機器人，成功地對一位女性患者進行膽囊切除術，完成首例遠程外科手術[26]。但是，遠程外科存在因網(wǎng)絡延遲和數(shù)據(jù)包丟失所產生的操作誤差和意外。Suzuki等[27]開發(fā)了具有力觸覺反饋系統(tǒng)的遠程外科模擬系統(tǒng)，能夠對異地的患者器官模型進行抓持和分離，有助于外科醫(yī)生熟練地掌握遠程外科技術。Bhattacharjee等[28]應用術區(qū)力預測系統(tǒng)，通過力傳感器提供力反饋信息，能夠有效地追蹤外科機器人工作臂的位置，使遠程手術更加安全。Natarajan等[29]指出，力反饋系統(tǒng)在整合同步技術后可以更充分地發(fā)揮其作用，讓外科醫(yī)生能夠及時感知異地患者術區(qū)的力學信息，從而減少手術意外。Jones等[30]認為力觸覺反饋可以提高遠程手術的速度和安全性，設計并制作出整合力觸覺反饋系統(tǒng)的操作臂（SASHA），能夠對外科機器人進行更有效的控制。

因此，力觸覺反饋系統(tǒng)可以使遠程外科培訓更加有效，并且提高遠程外科手術的效率和安全性，開發(fā)更為敏感的力觸覺反饋系統(tǒng)將會推動遠程外科的迅速發(fā)展。

3 展望

外科的發(fā)展趨勢是精確和微創(chuàng)。數(shù)字化外科的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，正是不斷追求精確和微創(chuàng)的具體表現(xiàn)。力觸覺反饋系統(tǒng)能夠將外科醫(yī)生、手術器械以及術中患者實際情況緊密地聯(lián)系在一起，在數(shù)字化外科的發(fā)展過程中起到革命性地推動作用。應用力觸覺反饋系統(tǒng)，不僅能夠提高外科醫(yī)生的手術精確性和靈活性，保證患者的安全，縮短手術時間，更深層次的意義在于普及與推廣數(shù)字化外科的臨床應用，讓更多的外科醫(yī)生熟練掌握數(shù)字化外科，造福廣大患者，讓患者以最小的創(chuàng)傷得到最精確合理的外科治療。

[1]Karas CS,Chiocca EA.Neurosurgical robotics:a review of brain and spine applications[J].J Robotic Surg,2007,1(1):39-43.

[2]Plaskos C,Cinquin P,Lavallée S,et al.Praxiteles:a miniature bone-mounted robot for minimal access total knee arthroplasty[J].Int J Med Robot,2005,1(4):67-79.

[3]Bargar WL,Bauer A,Borner M.Primary and revision total hip replacement using the Robodoc system[J].Clin Orthop Relat Res,1998(354):82-91.

[4]Elhage O,Murphy D,Challacombe B,et al.Robotic urology in the United Kingdom:experience and overview of robotic-assisted cystectomy[J].J Robotic Surg,2008,1(4):235-242.

[5]Sroga J,Patel SD.Robotic applications in reproductive endocrinology and infertility[J].J Robotic Surg,2008,2(1):3-10.

[6]Gharagozloo F,Margolis M,Tempesta B,et al.Robot-assisted lobectomy for early-stage lung cancer:report of 100 consecutive cases[J].Ann Thorac Surg,2009,88(2):380-384.

[7]Deeba S,Aggarwal R,Sains P,et al.Cardiac robotics:a review and St.Mary's experience[J].Int J Med Robot,2006,2(1):16-20.

[8]Parmar A,Grant DG,Loizou P.Robotic surgery in ear nose and throat[J].Eur Arch Otorhinolaryngol,2010,267(4):625-633.

[9]Kitagawa M,Dokko D,Okamura AM,et al.Effect of sensory substitution on suture manipulation forces for robotic surgical systems[J].J Thorac Cardiovasc Surg,2005,129(1):151-158.

[10]Tavakoli M,Aziminejad A,Patel RV,et al.Methods and mechanisms for contact feedback in a robot-assisted minimally invasive environment[J].Surg Endosc,2006,10(2):1570-1579.

[11]Mahvash M,Gwilliam J,Agarwal R,et al.Force-feedback surgical teleoperator:controller design and palpation experiments[C].IEEE 16th Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environments and Teleoperator Systems,Reno NE,2008.

[12]Okamura AM.Methods for haptic feedback in teleoperated robotassisted surgery[J].Industrial Robot,2004,31(6):499-508.

[13]Okamura AM.Haptic feedback in robot-assisted minimally invasive surgery[J].Curr Opin Urol,2009,19(1):102-107.

[14]Wagner I,Tingelhoff K,Westphal R,et al.Ex vivo evaluation of force data and tissue elasticity for robot-assisted FESS[J].Eur Arch Otorhinolaryngol,2008,265(11):1335-1339.

[15]Kuchenbecker KJ,Gewirtz J,McMahan W,et al.VerroTouch:high-frequency acceleration feedback for telerobotic surgery[C].EuroHaptics'10 Proceedings of the 2010 international conference on Haptics:generating and perceiving tangible sensations,Part I,Springer-Verlag:Berlin Heidelberg,2010.

[16]McMahan W,Bark K,Gewirtz J,et al.Tool vibration feedback may help expert robotic surgeons apply less force during manipulation tasks[C].The Hamlyn Symposium on Medical Robotics,London UK,2011.

[17]Jacobs S,Holzhey D,Strauss G,et al.The impact of haptic learning in telemanipulator-assisted surgery[J].Surg Laparosc Endosc Percutan Tech,2007,17(5):402-406.

[18]Malone HR,Syed ON,Downes MS,et al.Simulation in neurosurgery:a review of computer-based simulation environments and their surgical applications[J].Neurosurgery,2010,67(4):1105-1116.

[19]Westebring-van der Putten EP,Goossens RH,Jakimowicz JJ,et al.Haptics in minimally invasive surgery--a review[J].Minim Invasive Ther Allied Technol,2008,17(1):3-16.

[20]Kusumoto N,Sohmura T,Yamada S,et al.Application of virtual reality force feedback haptic device for oral implant surgery[J].Clin Oral Implants Res,2006,17(6):708-713.

[21]Yu H,Cheng J,Cheng AH,et al.Preliminary study of virtual orthognathic surgical simulation and training[J].J Craniofac Surg,2011,22(2):648-651.

[22]Lemole GM Jr,Banerjee PP,Luciano C,et al.Virtual reality in neurosurgical education:part-task ventriculostomy simulation with dynamic visual and haptic feedback[J].Neurosurgery,2007,61(1):142-148.

[23]Modi CS,Morris G,Mukherjee R.Computer-simulation training for knee and shoulder arthroscopic surgery[J].Arthroscopy,2010,26(6):832-840.

[24]Chmarra MK,Dankelman J,van den Dobbelsteen JJ,et al.Force feedback and basic laparoscopic skills[J].Surg Endosc,2008,22(10):2140-2148.

[25]Salkini MW,Doarn CR,Kiehl N,et al.The role of haptic feedback in laparoscopic training using the LapMentor II[J].J Endourol,2010,24(1):99-102.

[26]Marescaux J,Leroy J,Gagner M,et al.Transatlantic robot-assisted telesurgery[J].Nature,2001,413(6854):379-380.

[27]Suzuki S,Suzuki N,Hattori A,et al.Tele-surgery simulation with a patient organ model for robotic surgery training[J].Int J Med Robot,2005,1(4):80-88.

[28]Bhattacharjee T,Son HI,Lee DY.Haptic control with environment force estimation for telesurgery[J].Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc,2008,2008:3241-3244.

[29]Natarajan S,Ganz A.Efficient force feedback transmission system for tele surgery[J].Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc,2008,3245-3248.

[30]Jones D,Lewis A,Fischer GS.Development of a Stand alone surgical haptic arm[J].Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc,2011,2011:2136-2139.

Application of Haptic Feedback System in Modern Digital Surgery

WU Jinyang1,ZHANG Shilei1,GUI Haijun1,LUAN Nan2,SHEN Guofang1.1 Department of Oral and Cranio-maxillofacial Science,Shanghai Ninth People's Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,China;2 School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong U-niversity,Shanghai 200240,China.

ZHANG Shilei(E-mail：leinnymd@hotmail.com).

Haptic feedback;Digital surgery;Surgical robotics;Virtual reality;Telesurgery

R61

B

1673－0364（2012）04－0229－03

10.3969/j.issn.1673-0364.2012.04.014

上海市科委重點項目（11441902200）；上海交通大學醫(yī)工交叉研究基金（YG2011MS06）。

200011 上海市 上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科（吳錦陽，張詩雷，桂海軍，沈國芳）；200240 上海市 上海交通大學機械與動力工程學院（欒楠）。

張詩雷（E-mail：leinnymd@hotmail.com）。

【Summary】With the application of haptic feedback system in modern digital surgery,haptic information was able to be transmitted to surgical robotics,virtual reality surgical mimic system and telesurgery.This system could improve the surgical accuracy,dexterity,safety,and decrease the operative time.In this paper,the application and research progress of haptic feedback system in modern digital surgery were reviewed.

2012年5月4日；

2012年6月12日）