基于MATLAB軟件的機器人手術(shù)規(guī)劃與仿真模擬

孫夢哲 詹詩薇 韓文卿 陳驍俊 MOOI WEI JUN 陳偉 邱曉慧 ZIN MAR AUNG 唐榮高 柴崗

整形手術(shù)除了安全之外，精確是其重要內(nèi)容[1]。在依靠經(jīng)驗及直覺的傳統(tǒng)手術(shù)基礎(chǔ)上，近年來涌現(xiàn)出許多導航參與的提高手術(shù)精確度的方法，如手術(shù)導板引導截骨線以及基于夾板與標志板的光學導航等[2-4]。但前者對術(shù)野的暴露范圍有更高的要求且受軟組織影響較大，后者存在設(shè)備不夠輕巧及遮擋術(shù)野的問題[5]。磁導航以其靈巧輕便的裝置特點，在顱頜面整形外科手術(shù)的臨床應(yīng)用中具有巨大潛力[6]。

增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)也是近些年的熱點，增強現(xiàn)實系統(tǒng)把術(shù)前在計算機內(nèi)規(guī)劃的手術(shù)方案疊加顯示在手術(shù)真實的視野中，指導手術(shù)過程[7]。但是，在虛擬圖像的投射和按照視覺圖像信息執(zhí)行手術(shù)操作過程中，不可避免地會出現(xiàn)誤差以及反應(yīng)時間上的延遲[8]。此外，投影設(shè)備所占空間也是手術(shù)中的一個不利因素。

外科手術(shù)中，機器人參與執(zhí)行手術(shù)也是降低與術(shù)前規(guī)劃之間的誤差，減少手術(shù)創(chuàng)傷，縮短手術(shù)時間的有效方法。比如：腔鏡手術(shù)機器人可以用人手無法達到的關(guān)節(jié)靈活度快速高效地完成手術(shù)，同時通過細顫過濾降低手術(shù)誤差[9]；骨科手術(shù)機器人在高應(yīng)力條件下對精度的把控遠超傳統(tǒng)的徒手截骨[10]。

本實驗由機器人執(zhí)行截骨平面鉆孔操作，省去術(shù)中呈現(xiàn)術(shù)前規(guī)劃并覆蓋于真實術(shù)野，以及按照該結(jié)果進行截骨的過程，可減少人為誤差，節(jié)省系統(tǒng)所需費用，并降低設(shè)備體積?？紤]到安全性與實際術(shù)中的可行性，我們首先使用MATLAB軟件進行仿真模擬與手術(shù)預(yù)演，具體報道如下。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選取上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院整復(fù)外科11例頦部前移手術(shù)患者的影像學數(shù)據(jù)，在CT三維平掃之后，將患者的影像學數(shù)據(jù)以DICOM格式保存。具體的掃描參數(shù)如下：Light Speed 16排螺旋CT（GE公司，美國）進行頭顱掃描（5 mm體積掃描），球管電流180 mA，電壓120 KV，矩陣512×512，厚0.625 mm，薄層三維重建。

1.2 手術(shù)規(guī)劃

在三維重建軟件（Mimics15.0，Materialise公司，比利時）中，導入患者的DICOM數(shù)據(jù)，利用CT的閾值將患者的下頜骨進行分離，以STL格式保存，并進行三維打?。≒rojet 660，3Dsystem，美國）。截骨方案設(shè)計：在該顱頜骨數(shù)據(jù)中，根據(jù)下頜孔到頦孔的閾值進行下牙槽神經(jīng)的標記，由Frankling水平面和鼻根-蝶鞍-鼻基點垂直面進行擺正，在距離頦點下方4 mm并保證神經(jīng)安全的情況下設(shè)計相應(yīng)的截骨平面，并在截骨平面上按照相應(yīng)的角度設(shè)計鉆孔路徑的引導方案（圖1）。

1.3 機器人選擇

本實驗中，我們使用優(yōu)傲機器人UR5來完成實驗（UR5，Universal Robot公司，丹麥）。 UR5 機器人可通過編程來移動工具，并使用電信號與其他機器進行通信。它是由擠壓鋁管和關(guān)節(jié)組成的手臂，在實際操作過程中可使用自帶編程界面 PolyScope，用戶可輕松對機器人進行編程，使其沿著所需的運動軌跡來移動工具。

1.4 MATLAB建模

基于MATLAB的建模，包括手術(shù)環(huán)境的搭建、機器人本體與末端的建模。該實驗中采用了UR5機器人的數(shù)據(jù)，并將機器人各關(guān)節(jié)之間幾何關(guān)系用DH參數(shù)表表述。D-H參數(shù)法即在每一個機械臂的關(guān)節(jié)上建立直角坐標系的矩陣方法。

1.5 手術(shù)過程模擬

根據(jù)術(shù)前規(guī)劃在控制軟件中選擇鉆孔路徑，把打孔路徑的起始點與終末點進行標記，即設(shè)置打孔路徑，然后拖動機器人末端執(zhí)行器根據(jù)軌跡完成打孔，按照初始點-移至打孔路徑起始點及位資調(diào)整-沿路徑打孔至終末點-退回起始點-平移至下一打孔路徑起始點及位姿調(diào)整-循環(huán)上述打孔過程，停止后末端執(zhí)行器離開手術(shù)環(huán)境。在此過程中，導航系統(tǒng)實時追蹤手術(shù)打孔的位置和方向?qū)嵭袑Ш奖O(jiān)控，即通過機器人通訊的接口，實時接收機器人末端執(zhí)行器的位置與角度信息，呈現(xiàn)于機器人控制軟件界面，當位姿誤差超過一定值后可手動啟動機械臂急停制動。

2 結(jié)果

UR5機器人是有6個旋轉(zhuǎn)軸（自由度）的關(guān)節(jié)型機器人，其每一個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)度均為360°（圖2）。

本實驗采用UR5機器人的數(shù)據(jù)，并將機器人各關(guān)節(jié)之間幾何關(guān)系用D-H參數(shù)表表述（圖3）。通過該表描述相鄰連桿關(guān)節(jié)坐標系的關(guān)系，以此定義各關(guān)節(jié)的坐標系，分析出機器人的結(jié)構(gòu)，然后獲取DH參數(shù)表用于在MATLAB環(huán)境下進行建模（圖4）。

在MATLAB軟件環(huán)境下，利用 MATLAB ROBOICS仿真工具箱，根據(jù)以上D-H參數(shù)表使用Link（）程序建立連桿，再用Robot（）程序?qū)⑦B桿相連建模機械臂構(gòu)建六自由度UR5機器人對象模型，命令如下：

L1=Link([0 0.89459 0 1.570796 0]);

L2=Link([0 0-0.425 0 0]);

L3=Link([0 0-0.39225 0 0]);

L4=Link([0 0.10915 0 1.570796 0]);

L5=Link([0 0.09465 0-1.570796 0]);

L6=Link([0 0.0823 0 0 0]);

robot=SerialLink([L1 L2 L3 L4 L5 L6],'name','UR5');

D-H參數(shù)確定步驟如下：首先確定UR5機器人自由度為n=6，設(shè)定沿著Za軸移動距離d。d是代數(shù)變量，可正可負，設(shè)定Xa軸繞Za軸旋轉(zhuǎn)θ角度，得到Xb軸，然后沿Xb方向移動距離a，移動后坐標原點到達關(guān)節(jié)B的中心。由此可確定Xb軸的方向，Za軸繞Xb軸旋轉(zhuǎn)α角度，確定Z軸的方向。隨后重復(fù)直到6軸全部確定得到機械臂模型參數(shù)，即DH參數(shù)。UR5機器人的正運動學：機械臂的正向比于其他語言軟件，使完成相同的工作流程更加簡捷；并且MATLAB主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境，具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，圖形處理便捷高效，可用于科學計算和繪圖。本實驗選用MATLAB進行機械臂模擬以及對機器人運動路徑仿真，是因為其具有完備的圖形處理功能，還能實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化，將向動學是指己知各關(guān)節(jié)的參數(shù)，求末端執(zhí)行器相對于基坐標系的位姿，其反映的是由關(guān)節(jié)空間向工作空間的映射關(guān)系。根據(jù)所求D-H參數(shù)，指定關(guān)節(jié)角為θ=[0,0,0,0,0,0]。通過MATLAB軟件求得正解末端執(zhí)行器位姿P。機械臂的逆運動學是指已知末端執(zhí)行器的位姿，通過末端執(zhí)行器到達此位姿時各個關(guān)節(jié)形成的關(guān)節(jié)變量的大小。實質(zhì)上是求位姿運動的反解，是從笛卡爾空間到關(guān)節(jié)空間的映射。在實現(xiàn)機器人末端有效控制環(huán)節(jié)逆運動學求解占有非常重要的位置。一般情況下，機器人的工作任務(wù)是在笛卡爾坐標系中表示的，從末端執(zhí)行器運動控制到模擬軌跡規(guī)劃都需要逆運動學求得關(guān)節(jié)角，證實該機械臂可行性同時實現(xiàn)具體的控制，在MATLAB環(huán)境下通過程序指令可求得逆解，指令如下：q=robot.ikine(p)（圖 5）。

圖1 術(shù)前設(shè)計方案Fig.1 Preoperative design

圖4 實驗平臺建模示意圖（RoboDK）Fig.4 Experimental platform modeling schematic(RoboDK)

圖2 UR機器人結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of UR robot

圖3 UR5機器人D-H參數(shù)Fig.3 D-H parameters of UR5 robot

圖5 手術(shù)軌跡仿真截圖（局部放大圖），機器人手臂夾持鉆頭沿術(shù)前設(shè)計軌跡自動鉆孔Fig.5 Partial enlarged screenshot of surgical trajectory simulation,automatic drilling along the preoperative designed trajectory with the drill bit clamped by the robot arm

3 討論

基于影像學數(shù)據(jù)，進行個性化手術(shù)方案的精確設(shè)計已在臨床廣泛使用。使用手術(shù)導板或各式導航設(shè)備可幫助執(zhí)行精確操作，以實現(xiàn)規(guī)劃的手術(shù)效果。相比于傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗的術(shù)式，在精準性和手術(shù)效率上都有提高。

本實驗計劃在軟件中進行手術(shù)軌跡仿真預(yù)演后，由機器人執(zhí)行截骨鉆孔。機器人自動定位打孔在消除人為誤差、提高精確度的基礎(chǔ)上，可有效縮短手術(shù)時間與創(chuàng)面暴露時間，利于減少術(shù)中出血，降低感染風險，可降低術(shù)后疼痛感，恢復(fù)更快。簡潔的設(shè)備組成使操作簡便，降低了出錯幾率，可最大限度地降低術(shù)中誤差。

用MATLAB來解決數(shù)學問題和建立坐標系相量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，作圖包含二維和三維圖像，可以使圖像可視化、對圖像進行處理、用動畫的方式表達軌跡等；而且在開發(fā)環(huán)境中，使用者可以方便地控制多個文件和圖形窗口。編程方面支持函數(shù)嵌套和條件中斷等，為前期編程和程序修改提供便捷。

MATLAB軟件環(huán)境下進行手術(shù)規(guī)劃與仿真模擬，預(yù)演證實可行性后，由多自由度機器人機械臂執(zhí)行操作，相較于組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、末端負荷大的設(shè)備系統(tǒng)，不僅靈活性好，也擁有更高的精確度，且尤為適用于術(shù)野較小的手術(shù)（如顱頜面手術(shù)等）。通過手術(shù)仿真，可以提前預(yù)測機械臂執(zhí)行操作中動作是否順暢、連貫，沿預(yù)設(shè)路徑是否發(fā)生與手術(shù)床和術(shù)者的阻擋。手術(shù)仿真的意義在于保障機械臂執(zhí)行操作的可行性，提高機器人參與手術(shù)的安全性。

雖然目前仍未真正實行機器人操作，但在證明其可行性后，模型實驗、動物實驗甚至臨床實驗就有了實現(xiàn)的可能。我們希望在解決機械臂的承受力問題后，使完全由機器人執(zhí)行截骨手術(shù)成為可能。