力觸覺(jué)反饋技術(shù)在脊柱外科手術(shù)機(jī)器人中的應(yīng)用研究

于海洋

摘要：微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用在脊柱外科，不僅能提高手術(shù)的精度，降低手術(shù)中對(duì)微血管和神經(jīng)的損傷風(fēng)險(xiǎn)，更避免醫(yī)務(wù)工作者長(zhǎng)時(shí)間受輻射的危害。但與傳統(tǒng)手術(shù)相比，機(jī)器人輔助手術(shù)卻使醫(yī)務(wù)工作者喪失了與患者組織之間接觸時(shí)產(chǎn)生的交互作用力信息，在脊柱外科手術(shù)過(guò)程中難以確保定位針、椎弓根釘?shù)绕餍颠M(jìn)入病灶極其準(zhǔn)確，不損傷骨髓神經(jīng)或者將脊柱骨穿透。文中從脊柱外科手術(shù)機(jī)器人手術(shù)特點(diǎn)、以及力反饋在脊柱外科中的必要性等方面，對(duì)力觸覺(jué)反饋應(yīng)用在脊柱外科手術(shù)機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究。在匯總以前研究的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)研究做了展望。

關(guān)鍵詞：脊柱微創(chuàng)；力檢測(cè)技術(shù)；力觸覺(jué)反饋

中圖分類(lèi)號(hào)：TP13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）11-0055-02

1 引言

當(dāng)今世界，在生活水平不斷提高的同時(shí)，工作壓力也逐漸增大。久坐、久臥以及長(zhǎng)時(shí)間伏案工作引起許多骨科疾病，例如脊柱形變、腰椎管狹窄等。我國(guó)每年有幾十萬(wàn)例的脊柱外科手術(shù)，僅吉林大學(xué)第一醫(yī)院每年該類(lèi)手術(shù)就超過(guò)3000例，現(xiàn)骨科醫(yī)務(wù)工作者對(duì)脊柱外科手術(shù)機(jī)器人的需求也日益迫切。

在外科手術(shù)中，力覺(jué)發(fā)揮著重要的作用，可以為醫(yī)生提供組織剛度、腫瘤位置等信息，防止醫(yī)生用力過(guò)度對(duì)正常的組織造成損害，在進(jìn)行一些精細(xì)操作時(shí)可令醫(yī)生施加合適的作用力。然而，現(xiàn)有可遙操作的機(jī)器人系統(tǒng)，多使用按鍵或控制面板控制機(jī)器人，改變了醫(yī)生的操作習(xí)慣；力反饋的缺失是一個(gè)非常大的缺陷，操作者只能通過(guò)視覺(jué)反饋進(jìn)行手術(shù)，增大手術(shù)的危險(xiǎn)性；因此，用力反饋設(shè)備代替控制面板或按鍵實(shí)現(xiàn)操作者與遠(yuǎn)程機(jī)器人之間的力覺(jué)信息交互，采用手術(shù)觸覺(jué)的方式，將機(jī)械手手術(shù)過(guò)程中置刀的手感反饋給操作者，讓術(shù)者在控制端有如臨現(xiàn)場(chǎng)親自動(dòng)刀的手感覺(jué)，可極大的提高操作的準(zhǔn)確度和可靠性。

2 手術(shù)觸覺(jué)反饋系統(tǒng)

脊柱外科手術(shù)遙操作機(jī)器人一般分為手術(shù)室內(nèi)和室外兩個(gè)部分，室內(nèi)部分包括機(jī)械手主體和其電子驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)視覺(jué)圖像采集系統(tǒng)、手術(shù)觸覺(jué)反饋系統(tǒng)；室外部分主要包括機(jī)械手控制手柄、控制終端；手術(shù)室內(nèi)、室外之間的信息傳遞采用無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。

手術(shù)力反饋控制系統(tǒng)，手術(shù)操作過(guò)程中，采用機(jī)械手手術(shù)時(shí)，要實(shí)時(shí)獲取椎弓根刀的準(zhǔn)確位置，手術(shù)觸覺(jué)反饋系統(tǒng)是將操作末端的運(yùn)動(dòng)、位置以及姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確地發(fā)送至核心處理器，并將數(shù)據(jù)通過(guò)顯示系統(tǒng)和控制系統(tǒng)反饋給醫(yī)生，使之獲得到真實(shí)地手術(shù)操作體驗(yàn)，保證機(jī)械手操作安全可靠。

3 實(shí)現(xiàn)力觸覺(jué)反饋的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 力和力矩反饋

力和力矩反饋系統(tǒng)中的傳感器主要由力和力矩傳感器組成。使用高精度力和力矩傳感器對(duì)機(jī)械系統(tǒng)前端術(shù)中所獲得的反饋力和反饋力矩進(jìn)行采集，再經(jīng)過(guò)高精度D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)通信系統(tǒng)，送回控制系統(tǒng)。使操作者能夠?qū)崟r(shí)、客觀地了解手術(shù)針在患者體內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況。由于脊柱中椎體、棘突、橫突和椎孔各個(gè)部位的骨密度具有差異性，所以通過(guò)傳感器對(duì)手術(shù)針運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所遇到的阻力信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)PID算法對(duì)ΔF進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)ΔF出現(xiàn)變化時(shí)，即有可能是手術(shù)針碰觸椎弓根內(nèi)外壁的結(jié)果，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)通信系統(tǒng)對(duì)操作者提出警示。

應(yīng)變片因體積小、防水性好、可實(shí)現(xiàn)多自由度測(cè)量等原因成為廣泛的力檢測(cè)方式。應(yīng)變片通常貼在一塊彈性體上來(lái)達(dá)到較好的測(cè)量精度，其測(cè)量效果取決于彈性體的變形程度，將應(yīng)變片接入電阻電橋。當(dāng)受到外力作用時(shí)，彈性體隨之產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變片的電阻和電橋的電壓也隨之發(fā)生變化，因而通過(guò)檢測(cè)電阻電橋輸出電壓的變化就可以將外力檢測(cè)出來(lái)。檢測(cè)元件的選擇與位置不知不僅要確保脊柱外科手術(shù)所需的高測(cè)量精度，還要滿(mǎn)足手術(shù)器械需高溫消毒等條件。為提高數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，還要對(duì)傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、傳感器標(biāo)定和傳感器重力補(bǔ)償?shù)忍幚?，測(cè)得最真實(shí)的力信息，才能進(jìn)一步反饋至主手執(zhí)行器端，給操作者以最佳的力覺(jué)臨場(chǎng)感。

3.2 基于生物阻抗的反饋系統(tǒng)

生物阻抗等效電路模型和生物組織內(nèi)單個(gè)細(xì)胞的等效電路模型如圖1所示。

其中是細(xì)胞外液的電阻，是細(xì)胞外液并聯(lián)電容，是細(xì)胞膜的電阻，是細(xì)胞膜的并聯(lián)電容，是細(xì)胞內(nèi)液的電阻，是細(xì)胞內(nèi)液的并聯(lián)電容"在低頻范圍內(nèi)（低于1MHz），細(xì)胞膜的漏電阻很大，可視為開(kāi)路，而內(nèi)外液的并聯(lián)電容和很小，也可視為開(kāi)路。對(duì)于整個(gè)生物組織而言，由于生物組織是由大量的細(xì)胞組成，可視為許多細(xì)胞的集合，因此生物組織的電路模型也可用圖中所示的電路等效，只是此時(shí)的，，已不再是代表某個(gè)細(xì)胞內(nèi)、外液電阻和細(xì)胞膜電容，而是代表整個(gè)生物組織的等效內(nèi)、外液電阻和膜電容，這就是所謂的三元件生物阻抗模型。

椎弓根螺釘置入過(guò)程中最關(guān)鍵的步驟在于使用椎弓根開(kāi)路器（又名椎弓根探子或椎弓根開(kāi)孔器）在椎骨骨質(zhì)上開(kāi)出一個(gè)通道作為椎弓根螺釘?shù)尼數(shù)?，該過(guò)程直接決定了椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性，常規(guī)使用的椎弓根開(kāi)路器是由金屬材料制成，可以作為探測(cè)電極使用，但是該器械只能構(gòu)成電流回路的一極，另外一極必須放置在其他部位。以手術(shù)中必用的椎弓根開(kāi)路器作為原型，依據(jù)臨床上對(duì)椎弓根開(kāi)路器的生物力學(xué)強(qiáng)度要求，結(jié)合生物電阻抗測(cè)量要求，對(duì)臨床上常用的椎體成形器械進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)制作帶有雙電極結(jié)構(gòu)的椎弓根開(kāi)路器。通過(guò)電極施加不同頻率的信號(hào)，通過(guò)計(jì)算阻抗可以判斷出手術(shù)針在脊椎骨間位置，將位置信號(hào)反饋給操作者，有助于操作者更加準(zhǔn)確地完成手術(shù)。

4 研究現(xiàn)狀及結(jié)論

脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人，是先進(jìn)醫(yī)療技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的融合，現(xiàn)今比較成熟的脊柱機(jī)器人有以色列研制的Renaissance，法國(guó)研制的ROSA，中國(guó)北京積水潭醫(yī)院研制的Tirobot。韓國(guó)還在實(shí)驗(yàn)研究階段的SOINEBOT，CORA，德國(guó)的 LWR。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所和第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院聯(lián)合研制的脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)及中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院等多家科研單位的多名研究人員合作研制的 RSSS（robotic spinal surgical system），脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)集成和可視等技術(shù)研究方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步，但是在力觸覺(jué)反饋技術(shù)方面，還沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)的進(jìn)展。本文對(duì)脊柱外科手術(shù)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)力觸覺(jué)反饋的方法進(jìn)行了研究和分析，作者相信，隨著國(guó)家的快速發(fā)展和科研人員的不懈努力，力觸覺(jué)反饋技術(shù)在不久的將來(lái)會(huì)取得突破的進(jìn)展。

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Abstract：Minimally invasive surgical robot can not only improve the precision of surgery， reduce the risk of nerve damage， but also prevent the long-term radiation exposure of medical workers in spinal surgery. However，the lack of intra-operative haptic feedback can increase the risk of the positioning needle， pedicle screws and other instruments enter the lesion accurately. In this article，haptic feedback system was reviewed from the characteristics of surgical operation， and the necessity of force feedback in spinal surgery. At last， the future research direction was suggested on the basis of the previous studies.

Key Words：minimally invasive spine surgery； force sensing technology ； haptic feedback；