胡穎團隊提出一種基于磨削力模型的機器人輔助椎板減壓手術切削深度實時監(jiān)控方法

中國科學院深圳先進技術研究院認知與交互技術研究中心胡穎研究團隊在機器人輔助椎板減壓切除術切削深度實時監(jiān)控方面的研究取得進展。相應成果為“Jiang ZL, Qi XZ, Sun Y, et al. Cutting depth monitoring based on milling force for robot-assisted laminectomy [J]. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2020, 17(1): 2-14(基于磨削力模型的機器人輔助椎板減壓手術切削深度監(jiān)控)”。

人體脊柱椎管狹窄是一種常見的骨科疾病，可引起一系列神經(jīng)系統(tǒng)癥狀。椎板減壓切除術是治療椎管狹窄癥的常見方法，由于該手術區(qū)域靠近脆弱的脊柱神經(jīng)，手術精度要求高、耗時長，因此經(jīng)驗豐富的醫(yī)師方可進行此類手術。隨著科技的發(fā)展，采用機器人輔助手術越來越多地被人們所接受。為了防止機器人執(zhí)行器械末端磨頭磨穿椎板并傷害神經(jīng)，該研究提出一種基于磨削力模型的實時磨削深度監(jiān)控方法，以確保手術安全。

具體地，首先基于球形磨頭的幾何形狀建立其在不同深度的切削力模型；然后，采用牛骨作為磨削實驗材料，并采集實驗中的機器人末端執(zhí)行器械的力信號，對切削力模型中的未知參數(shù)通過粒子群優(yōu)化算法進行辨識；最后，通過多次實驗建立機器人磨削深度與磨削力之間的相互關系模型。

實驗結果表明，當機器人磨削深度在[0.8, 1.2] mm 時，基于磨削力的磨削深度預測結果精度可達±0.1 mm；當深度增加到[1.2, 1.6] mm時，預測精度為±0.2 mm。

該研究所提出的基于磨削力模型的機器人磨削深度實時監(jiān)控方法，具有較好的臨床應用價值，可實現(xiàn)機器人輔助椎板減壓手術的術中狀態(tài)精細感知，確保機器人手術安全。同時，相關技術可以很好地應用在機器人輔助神經(jīng)外科、關節(jié)置換等手術中。

圖1 機器人磨削深度預測模型

圖2 球形磨頭幾何模型