角膜移植显微手术机器人系统的研究

角膜移植显微手术机器人系统的研究 胡一达等:角膜移植显微手术机器人系统的研究 角膜移植显微手术机器人系统的研究? 胡一达?李大寨宗光华孙旭光 (北京航空航天大学机器人研究所) (北京市眼科研究所) 摘要在借鉴眼外科显微手术机器人系统研究经验基础上,对角膜移植显微手术机器 人系统结构进行深入的研究,针对角膜移植手术的过程和特点,对角膜移植显微手术机器 人系统的手术,交互方式进行了分析,提出了合理的机器人系统物理结构.研究了机 构型式,末端手术工具,各子系统的关系,并开发了研制样机.切割实验表明,系统设计满 足手术,可以准确完成手术动作. 关键词眼科,角膜移植,显微手术,机器人 0引言 机器人辅助显微手术系统(RobotAssistedMicro— Surgery(RAMS)),把机器人技术和显微外科手术技 术紧密结合,机器人协助医生在显微镜下完成定位, 切割,缝合等关键操作,目的在于提高显微外科手术 质量,减少病人和医院的开支,减轻医生的劳动强 度.显微手术机器人末端执行器尺寸微小,具有很 高的运动定位精度,运动平稳性和运动灵活性. 在现代眼外科手术中,显微手术技术已经在角 膜移植术,玻璃体切割术,视网膜手术中得到广泛的 应用,大大促进了眼外科手术的发展. 角膜移植显微手术机器人系统是显微手术机器 人在眼外科手术中的具体应用.本文借鉴国内外学 者的相关研究经验,根据角膜移植手术过程和要求, 分析机器人系统的手术流程,交互方式,提出了比较 切实可行的系统物理结构,研究了机构型式,末端手 术工具,各子系统关系,并开发了样机进行相关实 验. 1眼外科显微手术机器人系统 国内外一些学者已经致力于开发研制用于眼外 科显微手术的机器人系统.GraceKWE于1993年 研制出用于疏通眼睛视网膜堵塞的六自由度微操作 手,采用的是6一PSS空间并联机构,其特点是运动精 度高,动态性能好.GuermuadA【J在上世纪9o年代 初开始眼外科显微手术机器人的研究,开发出一套 用于眼球玻璃体切割和角膜放射切割术的机器人系 统,并在传感器和人机交互方面开展相关的研究工 作.CharlessL3j在1996年研制出灵活性较高的眼科 显微手术机器人,并进行了取出眼球中异物的模拟 手术.机器人采用遥操作方式,由机械,电气,伺服 控制,上层软件四个子系统组成,并对子系统的构建 和相互作用方面进行了研究.TaylorREJ在1999年 研制出增强显微手术效果的机器人系统,并进行了 眼球视网膜手术模拟.操作方式以人机共享控制为 基础,重点在于提高显微手术操作中的医生手部运 动的精度和稳定性.1998年清华大学张毓笠[]研 制出白内障超声乳化手术系统,进行了临床实验. 并在超声手术应用机理和自动化的眼科超声显微手 术方面进行了研究. 在眼科显微手术狭小的操作空间中,机构型式 的选择应体现安全性和灵活性.机器人末端执行器 作为手术工具与眼组织直接接触,外形精细,尺寸微 小并集成微传感器.在特定情况下,也可由机器人 末端执行器发生超声,激光等与眼球病患部位产生 作用,完成手术治疗操作.在控制上,充分利用 显微图像实现机器人的引导和定位,基于微传感器 信息的混合控制算法可以保证精确,平稳地完成手 术切割和缝合动作. 同时,由于眼球生理结构和功能上的特点,对于 不同的眼外科手术,显微手术机器人系统在系统物 理结构,交互方式,机构型式,控制方案等方面有其 各自的特点,研究者所关注的领域也不尽相同. ?863(2002AA4201lO-4)资助项目. ?男.,釜生,博士生研究领域:微操作机器人;联系 人,E-maihhuyida@263.net(收稿日期 :2004—O6_o4) ---—— 49---—— 高技术通讯2005年第l5卷第1期 2角膜移植显微手术 针对眼科第二大疾患的角膜疾病,角膜移植手 术是近年来广泛开展的一项眼外科显微手术.其过 程简示如图1,主要由植床,植片制备及手术缝合两 个步骤组成,手术工具通常为眼科手术环钻和缝合 针. ?钻切缝合手术完成 图1角膜移植过程简单图解 人工手术可能造成术后并发症(散光,排异反 应),主要的原因是: (1)在显微镜下,医生得不到深度信息,凭借感 觉判断环钻进刀的力度和深度(见图2); (2)理想的植片和植床是环形的,手工环钻和刨 刀会切出锥形或板形; (3)一对植片,植床的几何形状应当切面光滑, 厚薄均一,边缘齐整,直径匹配,法线一致.角膜形 状近似球壳,环钻的位置,姿态误差都会影响植片和 植床的形状,靠目测难以十分精确; (4)手工缝合要求l2—24条针脚位置对称,深 度范围几十至几百肿,难度很大. 图2手术场景 角膜移植手术涉及显微,精细和高度程式化操 作,恰好机器人能胜任这类操作.TejimaNJ,Lang GK[TI,LangenbucherA[,SmithN[j在功能原理样机 研制,角膜切割工具和方法等方面进行了相关的研 究工作.对于机器人系统的结构,手术操作流程,移 植中切割与缝合的自动化等问题没有作更深入的研 究.国内尚没有开展这方面的研究工作. 一 50— 3角膜移植机器人系统结构研究 通过对人工手术过程分析,结合手术环境及手 术操作要求,确定人机协同操作手术流程(见图3). 图3人机协同操作手术流程 即把手术分为五个阶段.机器人在植片制备, 植床制备,缝合这三个阶段,参与完成角膜钻切和植 片植床缝合两个关键手术动作.医生在整个手术流 程中处于主导地位,医生需要完成术前准备阶段和 术后处理阶段的工作,在中间三个阶段联接机器人 的关键手术动作,发出机器人的控制指令并对机器 人完成操作情况进行实时监控. 根据对手术环境的考察和对手术床,手术显微 镜等手术设备空间尺寸的测量,确定手术环境布置 方案(见图4).手术操作人员为主治医生,助手医 生和护士三人,助手医生负责通过PC操纵机器人. 图4手术环境布置方案 显微手术机器人系统通常有三种交互方式【10J: 遥操作方式在系统上采用主从式结构,增强医生的 感知能力,抑制医生的手部抖动,CharlesS的眼科显 微手术机器人采用了这种方式(见图5).人机共享 控制的交互方式由机器人和医生共同组成闭环结 构,医生可以充分发挥其感知,判断能力,机器人提 供主动约束,保证手术操作效果,TaylorR的机器人 系统采用这种交互方式(见图6).自主方式的手术 机器人系统采用视觉系统,传感器系统组成自身的 闭环控制结构,在关键的手术操作上弥补医生的不 胡一达等:角膜移植显微手术机器人系统的研究 足.从角膜移植手术流程,手术环境,操作功能等多 方面考虑,角膜移植手术机器人采用自主式的交互 方式,系统物理结构如图7所示.其中,机器人本体 及其相关的电气设备应满足眼外科手术消毒要求, 系统安全性也是设计的重要因素. 图5遥操作手术机器人 图6显微手增强系统 图7机器人系统物理结构 对于手术机械臂的机构型式,按末端执行器位 置和姿态要求对手臂结构和手腕结构分别进行分 析,再对各关节的顺序进行统一配置.从定位精度, 运动直观性,运动空间等方面考虑,手臂结构采用直 角坐标结构.对于手腕结构,从串联机构位置和姿 态的相关性进行分析,直角坐标手臂结构相关数 为: Af=0,A=0,Ak=0(1) 根据姿态要求,手腕结构的约束数为: Bf=1,B=1,B=一1(2) 手腕结构的抗干扰能力和旋转能力约束条件为: ?A’,?Af,?Ak(3) ?Bi,?Bf,?(4) 其中(h=i,,|i})为相应手腕结构的旋转数. 通过条件(3),(4)对一,二,三自由度手腕结构 进行分析,选出满足条件的两种结构(见图8).再 根据手术操作要求重新配置臂,腕结构各关节顺序, 并增加一个工作位置转换的腰部自由度,在安全性 和灵活性要求下进行机构几何尺寸综合. 坐标轴手腕结构机构型式 图8手术机械臂的机构型式综合 机器人需要完成钻切和缝合动作,面向操作任 务分别设计末端钻切执行器和末端缝合机构作为末 端执行器安装在手术机械臂上,共同组成机器人本 体.对不同工作方式的手术工具进行比较(见表 1),选择自动机械式环钻作为末端钻切执行器,并集 成微力传感器和微型位移传感器,依靠力/位信息的 反馈处理,精确控制钻切深度,减少角膜扭曲变形. 末端缝合机构采用柔性机构设计方法,并对形状记 忆合金(sMA)作为驱动执行元件进行研究. 表1不同工作方式的手术工具比较 角膜变形大较大小较小 影响内压大较大小较小 边缘整齐差较好较好较好 深度控制难易难难 深度均匀差好好较好 需要克服角膜扭角膜扭角膜组角膜水 的问题曲变形,曲变形织的激合作用 切割深光灼烧 度控制 在系统结构研究的基础上,开发研制了一套角 膜移植手术机器人系统样机(见图9). 利用手术显微镜和手臂摄像机实现显微立体视 觉.对显微手术图像进行处理,提取角膜有效的几 何信息,实现视觉算法,确定操作对象的空间位置和 姿态.控制系统采用分布式控制结构,计算机通过 视觉系统完成运动规划,通过CAN总线传递指令给 运动控制器和实时采集末端传感器数据,构成闭环 控制. 一 5】一 高技术通讯2005年第15卷第1期 图9机器人系统样机 4角膜钻切实验 末端环钻集成微小型力传感器和位移传感器, 环钻刀具由微型直流电机驱动旋转切割角膜(见图 10,l1).末端环钻外形尺寸为25ram×25mm× 45mm,力传感器分辨率为10ran,线性度为1%F.S, 位移传感器分辨率为1/xm,线性度为0.5%F.S. 亘二二二]\后盖板 — 芦\\具 微力传,感器前-~t-t测量推杆 图l1末端环钻实体图 角膜钻切操作由手术臂上数字线性操作器 (DLA)的精确进给和末端执行器环钻的旋转运动实 现,可以分解为环钻的推进和旋转切割两个动作,计 一 52一 算机实时采集钻切深度和钻切力数值. 实验对象为动物标本眼球角膜,眼球固定在支 架上,环钻垂直眼球沿角膜法线钻切,共完成5次实 验(如图12所示).图13为钻切力/深度的实验数 据.A,B点为推进动作的停止点,D点为开始后退 点.C点为旋转切割动作开始点.表2列出了实验 关键数据的平均值. 图l2角膜钻切实验 图13钻切深度/力实验数据 表2钻切实验关键数据平均值 分析图13和表2中的实验数据认为,由于角膜 组织受压变形,采用微型位移传感器控制切割深度 是必要的.微力传感器能够实时检测接触力变化, 接触力控制算法是可行的.实验表明机器人能够准 确完成接近,接触,钻切,后退四个阶段的钻切操作. 同时,由于检测量微小化,会受到传感器自身特 性和安装,定位,预紧方式等诸多因素的影响.起停 位置的加速度变化对微力传感器信号会有影响(如 钻切力突降区),眼球角膜的组织结构和切割变形特 性也会对位移和力信号产生影响(A,B点后段位移 信号缓升和力信号缓降现象).以上问题需要进一 步量化研究,以达到对角膜钻切的良好控制效果. 胡一达等:角膜移植显微手术机器人系统的研究 5结论 角膜移植手术机器人系统结构满足手术操作要 求,在人机协同操作的手术流程和环境下,机器人系 统交互方式和物理结构切实可行.在进行机构型 式,末端手术工具,各子系统关系等研究的基础上, 研制样机进行角膜切割实验,机器人可以准确完成 手术操作.今后将进一步进行机器人角膜移植手术 效果定量评价体系的工作. 参考文献 l1]GraceKW,ColgateJE,GlucksbergMR,eta1.Asixde— greeoffreedommicromanipulatorforophthalmicsurgery.In: ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRobotics andAutomation.1l3.63O l2JHayatS,ViP.Conceptionofinformationtoolstoassistthe surgeonwhenhecarriesoutradialkeratotomywithami? crotelemanipulator.In:14thConferenceoftheBiomedical EngineeringSocietyofIndia,ProceedingsoftheFirstRegion— alConference,匝EE,1995 [3]CharlesS,DasH,OhmT,eta1.Dexterity—enhancedteler— oboticmlc~twgery.In:Proceedingsofthe8thInternational ConferenceonAdvancedRobotics,1997.5 l4JTaylorR,JensenP,WhitcombL.eta1.Asteady-hand roboticsystemformicmsurgicalaugmentation.TheInterna— tionalJournalofRoboticsResearch,1999,18(12):1201 [5]张毓笠,史文勇,罗晓宁等.新型眼科超声乳化仪的应 用和研究.中国医疗器械信息,2OO2,8(2):15 l6]rejiIIlaN,FunakuboH,DohiT,eta1.Anewmicresurgical robotsystemforcornealtransplantation.Pn~s/onMach/nery, 1988,2:1 l7Jl_angGK,SchroederE,KochJW.eta1.Excimerlaser keratoplasty.Ophtholm~Surgery,1989,20:262 l8Jl-angenbueherA,SeitzB,KusMM,eta1.Graftdecentra— tioninpenetratingkeratoplasty:nonmechaniealtreplfinatlon wit}ltheexcimerlaser(193Nm)versusthemotort~ohme. OphthalmicSurgeryandLasers,1998,29(2):106 l9]SmithN,BetempsM,JutardA,eta1.Apenetratingkerato— plasty:arobotisedcutofcornea1.In:Proceedingsof1999 IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsand System~,1999,2:740 l10JHoweRD,MatsuokaY.Roboticsforsurgery.AnnuRev B/omedEng,1999,01:211 [11]谢存禧,郑时雄,林怡青.空间机构设计.上海:上海科 学技术出版社,1996 ResearchesonRoboticMicrosurgerySystemforCornealGrafting HuYida,LiDazhai,Z0ngGuanghua,SunXuguang (RoboticsInstitute,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics) (BeijingOphthalmologyResearchInstitute) Abstract Inordertoenhancetheeffectofcorllealgrafting,theroboticmiemsurgerysystemqualtnedforthesurgica1treatment wasstudiedanddesigned,usingtheexperienceofmbotizedophthalmologiemierosurgeryforreference.Onthebasisof thecornealgafting’Sc伽 rseandcharacteristics.thesurgicaltechnicalprocessandinteractionmodeofthembotiemicro— surgerysystemforcornealgraftingwereanalyzed.Arationalstructureoftheroboticsurgicalsystemhasbeenproposed. Andaprototypewasdeveloped,withtheconsiderationofmechanismtypesynthesis,surgicaltools,relationshipbetween subsystems.ThecutexperimentresultshaveshowntheroboticmierosurgerysystemCanfulfillthesurgerytaskofcorneal cuttingaccurately.一 Keywords:ophthalmology,cornealgrafting,microsurgery,robot 一 53—