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  • 醫療級電流精準控制,這個國外新成果讓機器人遙感技術更進一步!

    行業資訊 | 時間: 2020-04-30 | 中國機器人網 劉眾楷 | 編譯:阿芬|瀏覽量:135

      機器人技術已涉足許多領域,醫學也不例外。在過去的十年中,機器人輔助手術在幾乎每個外科專業領域都取得了巨大的進步。隨著泌尿外科,婦科,心胸外科,耳鼻喉科和普通外科的幾乎每個外科專業對機器人手術的合法認可,外科手術期間的機器人輔助已顯示出巨大的發展。
     
      機器人輔助手術通常使用涉及主從配置的外科手術機器人系統執行,其中“主”是外科醫生操縱以控制機械臂的控制器設備。這樣的系統通過濾除手部震顫并將其手部動作縮放為較小的動作,從而提高了外科醫生的靈活性和準確性。它們還降低了常見手術并發癥(如手術部位感染)的風險。
     
      但在對大腦或毛細血管等脆弱結構進行手術時,機器人往往很難取代人,因為穩定的手和不間斷的清晰視力至關重要。盡管外科手術照相機可以改善外科醫生在手術過程中所見的事物,但“穩固的手”仍有待增強,因為隨著醫療機器人應用領域的拓展,新的外科技術,包括復雜的外科醫生指導的機械手,無法在接近易碎組織的情況下防止意外傷害。

     
      目前,類似達芬奇等機器人常用的是主從操作方案的輔助機器人方法,然而,機器人輔助手術也有其自身的缺點,特別是對于進行手術的人。使用機器人的外科醫生有時會在手術過程中感到身體不適,手指疲勞很常見。這種不適與他們握住主控制器的方式有關。通常使用兩種類型的手柄來控制外科手術機器人:“捏緊手柄”和“電動手柄”。捏緊手柄已在常規手術中使用了多個世紀。它涉及使用拇指,中指和食指來實現高精度運動。另一方面,電動手柄包括用整只手抓住手柄,更適合于有力的工作和較大的運動。
     
      由于捏握會在手和手指的某些肌肉上施加壓力,因此更容易引起疲勞。而且,盡管電動握柄似乎并未引起這種不適,但它的控制精度較差。因此,在由捏握引起的不適和對動力握柄的精細控制的缺乏之間存在折衷。
     
      近日發表在《科學報告》雜志上的一項新研究中,就提出了對這些問題的解決辦法,德克薩斯農工大學的研究人員表明,通過向指尖傳遞小但可感知的電流嗡嗡聲,可以使用戶更準確地了解接觸距離。這種方法使用戶能夠精確地控制自己的機械手手指,以使其輕輕落在易碎的表面上。
     
      研究人員說,這項技術將可能是幫助外科醫生減少機器人輔助手術過程中意外傷害的有效方法。
     

     
      研究人員電氣和計算機工程系的助理教授Hangue Park表示:“機械手的挑戰之一是確保對其進行足夠精確的控制以使其軟著陸在生物組織上。” “通過我們的設計,外科醫生將能夠直觀地了解其機械手指與接觸的距離,然后他們便可以用適當的力來使用這些信息來觸摸易碎的結構。”
     
      機器人輔助手術系統,也稱為遠程機器人手術系統,是外科醫生的物理擴展。通過用自己的手指移動來控制機器人手指,外科醫生可以遠程執行復雜的操作,從而擴大了可以提供醫療護理的患者數量。而且,機械手的手指很小,這意味著可以用較小的切口進行手術,因為手術過程中外科醫生無需進行大的切割即可將其手放在患者體內。
     
      為了精確地移動他們的機械手指,外科醫生依靠來自遠程機器人手臂上的攝像頭的實時視覺信息流。因此,他們調查顯示器以使其手指運動與遙控機器人的手指運動相匹配。這樣,他們就知道自己的機械手手指在空間中的位置以及這些手指彼此之間的距離。
     
      但是,Park指出,僅視覺信息還不足以指導手指的精細運動,這在手指位于大腦或其他脆弱組織的附近時至關重要。
     
      Park說:“外科醫生只能間接地知道他們的實際手指彼此相距多遠,也就是說,通過在視覺監視器上觀察他們的機械手指相對于彼此的位置。” “這種全息景觀減少了他們對實際手指彼此相距多遠的感覺,從而影響了他們對機械手指的控制方式。”
     
      為了解決這個問題,他們借鑒了東京工業大學的科學家為機器人手術中使用的機器人手臂設計的一種新型控制器。該控制器結合了市售機器人系統中使用的兩種不同類型的抓持,以利用兩者的優勢,從而減少了外科醫生的工作量并提供了良好的精度。在其此前《The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery》上發表的一項名為“Manipulation of a master manipulator with a combined‐grip‐handle of pinch and power grips”研究中,研究人員發明設計出一種結合了兩種抓握方式的主控制器。研究人員設計的這個帶有模塊化主控制器的機器人手術系統,可以隨時進行調整,以采用捏合,電動或組合抓緊方式。


     
      基于這種前沿認識,Park和他的團隊也想出了另一種方式來提供獨立于視覺反饋的距離信息:通過使用裝有刺激探針的手套,將不同頻率的電流傳遞到指尖,研究人員能夠訓練用戶將電流脈沖的頻率與距離相關聯,即增加電流頻率表明距測試對象的閉合距離。然后,他們也比較了接受當前刺激以及與顯示器上有關閉合距離的視覺信息,使得用戶在估計距離方面比僅接收視覺信息的用戶更好。
     
      Park和他的團隊還根據用戶對電流頻率的敏感性定制了他們的技術。換句話說,如果用戶對更大范圍的電流頻率敏感,則以較小的步長增加電流來傳遞距離信息,以使接近度估計的準確性最大化。
      研究人員發現,接受電脈沖的用戶更了解與下表面的接近程度,并且可以將其接觸力降低70%左右,性能要好于另一組??傮w而言,他們觀察到通過溫和的電脈沖傳遞的鄰近信息的有效性比僅視覺信息的有效性高三倍。
     
      Park說,他們的新方法有可能顯著提高手術期間的可操作性,同時最大程度地減少意外組織損傷的風險。他還說,他們的技術在手術過程中不會增加外科醫生現有的精神負擔。
     
      他說:“我們的目標是提出一種解決方案,以提高接近度估計的準確性,而又不增加完成此任務所需的積極思考的負擔。” “當我們的技術準備好在外科手術環境中使用時,醫生將能夠直觀地知道其機械手指與基礎結構之間的距離,這意味著他們可以繼續專注于優化患者的外科手術效果。”
     
      Park也認為,可以毫不夸張的說,此前東京工業大學在《國際醫學機器人與計算機輔助外科雜志》上發表的結合了兩種抓握方式的主控制器研究,可能是機器人輔助手術朝正確方向邁出的一步,其對機器人手術主控制器的操縱方法在直觀性,舒適性,精度和穩定性方面都具有重大影響,這個方法除了能夠進行精確的操作外,舒適的操縱方法,還可能使患者和外科醫生受益。
     
      而本次電誘發的近距離感覺可以增強遙控機器人捏的精細手指控制研究,也在此基礎上讓對于需要高控制精度的遙操作任務更進一步,盡管需要進一步的工作來分析與機械手臂操作有關的其他變量,但是這項工作無疑為高級外科手術機器人系統鋪平了道路,當然,在未來如果成本能夠下降,這或許也會不僅僅局限于手術機器人。

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