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【CAA讲堂】北京理工大学段星光教授:穿刺医治手术机器人研讨进展

发布时间:2022-06-23 23:07:56 来源:环球体育注册

  原标题:【CAA讲堂】北京理工大学段星光教授:穿刺医治手术机器人研讨进展

  【导读】2021年9月12日,北京理工大学教授段星光做客“CAA云讲座”——“医疗机器人技能”专题在线论坛,为咱们带来了一场题为“穿刺医治手术机器人研讨进展”的精彩陈述,200余人在线观看了讲座直播并参加评论。陈述首要介绍了穿刺医治手术机器人的研讨布景,对穿刺机器人所触及的术区信息感知、柔性针穿刺及运动规划、手术导航及交互操控等关键技能进行了评论与剖析,并指出了穿刺医治手术机器人往后的展开趋势与面对的应战。

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  段星光,1966年生人,北京理工大学长聘教授,博士生导师,智能机器人与体系教育部要点实验室副主任,智能机器人高精尖中心、医工交融研讨院PI;科技部智能机器人要点研发计划整体专家组专家;科技部严峻科学仪器专项攻略编制专家;泰山工业领军人才;国家要点研发计划数字医治专项项目首席;人工智能与教育机器人委员会副理事长;全国自动化体系与集成标委会委员机器人专业委员会委员(SAC/TC591);IEEE/ASME会员;我国自动化学会机器人专委会委员;中华医学会数字医学分会高档会员;我国医学配备协会智能配备技能分会常务委员;我国生物医学工程学会医用机器人分会常务委员;我国医学配备协会智能配备技能分会常务委员;我国医药卫生文明协会医工交融分会会员;山东省机器人工业立异联盟技能委员会副主任。

  长时间从事医疗机器人的体系规划、机器人感知与交互、导航定位与规划、人机协同智能操控等方面的研讨作业。先后承当国家自然科学基金要点基金和面上项目多项;承当国家863计划多项,科技部要点研发计划数字医治专项项目负责人;承当北京自然科学基金、北京海淀联合基金、北京科技计划项目等;宣布学术论文80余篇,专利42余项,出书译本《医疗机器人》,获机械工业科技进步二等奖1项、市级科技进步一等奖奖1项,国防科学技能奖三等奖1项目。

  穿刺医治实际上是针对一个器官或安排进行靶向方针进行导航定位一种医治手法。依据国家癌症中心发布的数据显现,每年癌症发病人数、逝世人数都很高,因而进步我国癌症确诊及医治水平可不容缓。穿刺医治针对不同的部位其需求处理的问题相对来说是共同的,现在常用的医治手法是根据体外图画引导的微创穿刺手术,如穿刺活检、融化等,该办法具有伤口小、痛苦轻、康复快等长处,也是恶性肿瘤确诊与医治的重要手法之一。但该办法存在徒手穿刺精度低、不可视、遭受辐射时间长、易引发并发症等问题,手术作用严峻依靠医师的阅历。因而期望凭借机器人技能处理穿刺医治中的痛点问题。

  经过调研了解到已商用的穿刺机器人首要分为神经外科穿刺机器人、胸腔镜穿刺机器人和骨科穿刺机器人等,其间神经外科穿刺机器人如美国的Renaissance、法国的Rose以及国内的Remebot;胸腔镜穿刺机器人如以色列的XACT、印度的Perfint;骨科机器人如国内的天玑等。国内外相关的研讨安排也许多,如针对和婉安全操作研讨的纽伦堡大学、针对实时透视穿刺研讨的冈山大学、针对主从操作穿刺研讨的北京理工大学以及针对自主穿刺研讨的MIT、哈佛大学等。

  4) 术中安全交互操控,如根据视觉的安全操控何根据全状况反响的被迫安全操控,完善主从操作穿刺安全确保机制等。

  穿刺针力感知方面也是咱们需求考虑的问题,现在研讨比较多的有穿刺针结尾力感知和穿刺针形状感知,可是集成难度高、适应性较差,在临床中没有使用。而术中四维重建技能能完结实时扫描重建、根据门控设备重建等,但存在是实时性差、门控信息与安排运动相关机理不明等问题。

  依照机器人固定方位的不同,能够将胸腹腔经皮穿刺机器人分为地上固定式、床体固定式、身体固定式三种类型,详细比照见表 1。

  地上固定式穿刺机器人是将穿刺针固定在CT床的地上上,其设备无需改成CT床等现有手术设备,如KUKA LWR III、Perfint、Zerobot等机器人,选用光学、电磁等第三方导航设备相关机器人与图画、患者之间的空间坐标,具有作业空间大、定位精度高、稳定性好等长处。

  床体固定式穿刺机器人是将穿刺针固定在CT床上,与患者一起进行CT扫描,如Acubot、Innomedic、DEMCON、iSYS MicroMate等机器人,这样机器人和CT床选用同一坐标系,易于完结空间配准,且占用空间少,机器人导航与操控会相对简单些。

  而身体固定式穿刺机器人是把整个的机器人小型化后绑定在患者的身上,与患者一起进行CT扫描,获取相对位姿,如Robopsy、ANT-X、XACT、Icube Lab等机器人,该类机器人随患者呼吸运动而运动,对患者运动形成的差错有被迫补偿作用,且机器人体系体积小、成本低,但作业空间相对有限。

  医师手动完结穿刺需求归纳考虑患者的呼吸、医学图画、穿刺力感等术区信息,因而术区多源信息感知技能是当时限制穿刺机器人展开的重要要素之一。

  呼吸运动对胸腹腔穿刺机遇、精度、到位率等都有较大影响。现在呼吸运动信息收集的办法首要有根据透视印象点、阻抗式传感器、体表光学符号点、电磁传感器、呼吸潮气量等,最终经过信号处理及对基线漂移进行补偿,完结呼吸运动信息的感知。

  运动器官一向处于动态改动中,为了能在术中精确得到其自在呼吸状况下的可视化图画,能够选用图画交融动态可视化技能及四维重建办法,但现在手各种实际要素的影响,该办法还有待于进一步的完善。

  要完结图画引导下的自主或主从穿刺操控,必需求获取穿刺力与穿刺针形状的信息。部分学者考虑用较为精准的力传感器检测穿刺力,如日本早稻田大学经过一根引导管将穿刺力传递到力传感器,然后完结穿刺力的检测;阿尔伯特大学根据结尾力传感器核算斜尖穿刺针途径等。但上述办法在穿刺深度较深时力传感器测到的是针管与针尖的耦合受力,难以树立有用的穿刺受力点评办法。

  近年来,跟着光纤传感器技能的研讨,许多研讨人员展开了根据光纤传感器丈量穿刺力的研讨。如伍斯特大学研发的光纤力传感器,代尔夫特理工大学根据 FBG 丈量结尾穿刺力,阿姆斯特丹自在大学提出的3种光纤力传感器计划,但现在用于结尾穿刺力检测的光纤传感器计划,尚难以统筹核磁兼容、小体积、温度灵敏度、力分辨率、机械强度、稳定性等多种条件,但在未来医疗范畴具有巨大的研讨与使用潜力。

  当光纤遭到机械拉伸或紧缩时,反射光波长也会产生相应的改动,因而经过检测反射波长的改动可核算光纤栅区的曲折半径,然后核算穿刺针空间曲率。如北京理工大学研发的根据FBG光栅的穿刺针、哈佛大学研发的穿刺针针体偏移检测设备、特温特大学研发的检测斜尖柔性穿刺针形状的设备。

  根据术中医学图画检测穿刺针形状,需求较大的样本数据,且重建速度有待进步,磁盯梢定位的核磁兼容性有待进一步测验,尽管 FBG 可兼容 MR 与 CT环境,且具有敏感度高、呼应快速、生物兼容性好等特色,但将相同的光栅排布使用于不同的针头形状、针体粗细、穿刺部位的状况时,重建精度会存在不同,因而将 FBG 集成于不同类型的穿刺针中或许需求不同的加工工艺。别的,怎么根据 FBG 一起完结穿刺针的力感知与形状感知也是需求攻关的技能难点之一。

  胸腹腔软安排穿刺手术中,穿刺针由于遭到针与安排之间的交互作用力,常常会产生形变,然后影响到穿刺精度、手术作用。因而,对穿刺针―安排交互作用机理进行研讨,树立有用的穿刺模型对确保穿刺安全具有重要意义。

  较为精确的穿刺交互建模,是完结有用的途径规划、精准开环穿刺操控的根底,也可为根据穿刺针形状感知的闭环操控与双方主从操控供给精确的交互模型,然后进步穿刺精度。现在跟着术中穿刺针形状、力感知、术中动态三维成像等技能的展开,针―安排交互建模或可迎来新的打破。

  灵敏可控的柔性穿刺针可有用避开肋骨、血管、神经等安排,比较传统的刚性穿刺针具有巨大的优势。为完结柔性穿刺针的精确可控,现在首要有2 种研讨方向:

  被迫式柔性穿刺针,即根据挠曲机理,改动穿刺针的针尖形状与直径,经过操控转速、进针速度、针尖方向,使用针―安排交互作用被迫完结柔性针操控,如以色列理工大学对柔性穿刺针的操控、哥伦比亚大学移动柔性针结尾完结轨道操控、约翰·霍普金斯大学柔性针自行车模型及斜尖穿刺轨道操控;

  自动式柔性穿刺针,即改善穿刺针结构,自动完结穿刺针的柔性操控,如范德堡大学研发的预弯套管柔性穿刺针、哈佛大学研发预弯套管针、斯坦福大学研发肌腱驱动穿刺针针体曲折、斯坦福大学研发回忆合金丝驱动针、特温特大学研发肌腱驱动穿刺针针体旋转、帝国理工学院研发的可编程柔性针。

  比较于被迫式柔性穿刺针受环境影响较大、可控性较差的问题,自动式柔性穿刺针具有显着的优势,其更高的灵敏度可确保穿刺针避开妨碍,精准抵达穿刺靶点,但其一起也具有安全性难以确保,尺度较大,与其他介入式设备集成困难等问题。

  传统的驱动首要是根据电液驱动,怎么把它运用到机器人上,怎么寻求更新的驱动办法与所选用的安排是密切相关。如前列腺穿刺机器人气动马达、步进式气动抓取和开释进针设备、滚珠丝杠穿刺机器人结构、气动进针设备、绳驱动长途穿刺机器人、电动马达驱动穿刺机器人等,小型化、高精度的新式驱动办法将更有利于满意临床的需求。

  在穿刺针对软安排的靶向穿刺进程中,常常会遭到安排内生理结构(如骨骼、重要血管、神经等)的阻止,因而需求寻觅更为杂乱的曲线途径以避开妨碍。穿刺途径规划便是为了寻觅最优的可控穿刺轨道,类似于逆运动学的概念。现在首要的途径规划办法包含逆运动学反解法、人工势场法、数值法,而逆运动学求解的办法最为直接,可是无法精确避开安排环境中的妨碍物,而人工势场法与数值法,尽管在理论上能够完结较好的避障与精准穿刺,可是针对胸腹腔有呼吸运动的影响的状况下,算法的实时更新才能还有待进步。

  定位导航现在已阅历了由触摸式定位到非触摸式定位的演化,其间非触摸式定位首要包含:超声定位、电磁定位、光学定位盯梢。其间光学定位导航技能因其精度高、可靠性好的特色已成为现在的干流导航办法。

  机器人主手操控需求考虑两个要素:重力和透明性。现在进行重力补偿首要有根据最小误差值的被迫重力补偿和根据误差值批改的自动重力补偿,前者能下降电机担负,进步负载才能,下降体系惯量,进步动态功能;后者可选用的办法有模型核算加精细标定、作业空间网格化、高维插值等办法。根据最小误差的绷簧刚度优化和根据误差值批改的余项补偿能完美补偿设备搅扰,完结主手透明性,然后减轻医师手部的担负、减缓疲惫,一起补偿重力要素,进步力反响精度。如冈山大学规划的zerobot机器人根据CT透视的实时主从遥控完结主从交互操控穿刺,韦斯特大学Atashzar等根据力感知的实时主从遥控完结主从交互操控完结模拟实验。

  术中安全交互操控一方面需求确保穿刺进针进程的安全,另一方面旨在完结医师、患者、机器人、医疗器械等之间的安全交互。

  为完结关节力及磕碰力的精准检测,需求精准辨识体系动力学参数。如都灵理工大学的 Indri 等经过将加速度项引进 LuGre 冲突模型,提出了机械臂动态静态冲突参数辨识办法,有用进步了机械臂冲突参数辨识的精准性;此外针对动力学参数共同性问题,罗马大学的 Gaz 等经过半定规划确保了辨识参数的物理可行性,一起,机器人应该有针对性地对磕碰事情做出反响,对不同类型的磕碰作出不同的呼应战略。

  a) 生理运动检测方面:生理运动会导致一些软安排移位和变形,然后下降穿刺的精确性、但是,现在还缺少一种精确有用的呼吸信息感知办法。

  b) 穿刺力/形状感知方面:经过对针的形状和穿刺力的感知,能够判别穿刺针是否抵达预订方位、但该技能尚不老练,且没有使用于临床。

  c) 动态轨道规划方面:根据透视图画的实时动态轨道规划下降手术危险,但透视图画增加了对患者的辐射。

  d) 柔性穿刺方面:柔性穿刺针能够有用避开重要血管和神经,确保手术安全,但柔性穿刺针的精确性和安全性还需求进一步验证。

  b) CT/MR兼容规划方面:为了使机器人具有CT/MR兼容性、气动、绳子、超声电机等驱动办法的机器人成为当时的研讨热门。

  未来期望在穿刺机器人方向,向着更高的安全性、更低的价格、更多的术式、更好的兼容性、更好的交互性方面进行展开。

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