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医疗级电流精准控制,这个国外新成果让机器人遥感技术更进一步!2020-05-03


医疗级电流精准控制,这个国外新成果让机器人遥感技术更进一步!


机器人技术已涉足许多领域,医学也不例外。在过去的十年中,机器人辅助手术在几乎每个外科专业领域都取得了巨大的进步。随着泌尿外科,妇科,心胸外科,耳鼻喉科和普通外科的几乎每个外科专业对机器人手术的合法认可,外科手术期间的机器人辅助已显示出巨大的发展。
 
机器人辅助手术通常使用涉及主从配置的外科手术机器人系统执行,其中“主”是外科医生操纵以控制机械臂的控制器设备。这样的系统通过滤除手部震颤并将其手部动作缩放为较小的动作,从而提高了外科医生的灵活性和准确性。它们还降低了常见手术并发症(如手术部位感染)的风险。
 
但在对大脑或毛细血管等脆弱结构进行手术时,机器人往往很难取代人,因为稳定的手和不间断的清晰视力至关重要。尽管外科手术照相机可以改善外科医生在手术过程中所见的事物,但“稳固的手”仍有待增强,因为随着医疗机器人应用领域的拓展,新的外科技术,包括复杂的外科医生指导的机械手,无法在接近易碎组织的情况下防止意外伤害。

 
目前,类似达芬奇等机器人常用的是主从操作方案的辅助机器人方法,然而,机器人辅助手术也有其自身的缺点,特别是对于进行手术的人。使用机器人的外科医生有时会在手术过程中感到身体不适,手指疲劳很常见。这种不适与他们握住主控制器的方式有关。通常使用两种类型的手柄来控制外科手术机器人:“捏紧手柄”和“电动手柄”。捏紧手柄已在常规手术中使用了多个世纪。它涉及使用拇指,中指和食指来实现高精度运动。另一方面,电动手柄包括用整只手抓住手柄,更适合于有力的工作和较大的运动。
 
由于捏握会在手和手指的某些肌肉上施加压力,因此更容易引起疲劳。而且,尽管电动握柄似乎并未引起这种不适,但它的控制精度较差。因此,在由捏握引起的不适和对动力握柄的精细控制的缺乏之间存在折衷。
 
近日发表在《科学报告》杂志上的一项新研究中,就提出了对这些问题的解决办法,德克萨斯农工大学的研究人员表明,通过向指尖传递小但可感知的电流嗡嗡声,可以使用户更准确地了解接触距离。这种方法使用户能够精确地控制自己的机械手手指,以使其轻轻落在易碎的表面上。
 
研究人员说,这项技术将可能是帮助外科医生减少机器人辅助手术过程中意外伤害的有效方法。
 

 
研究人员电气和计算机工程系的助理教授Hangue Park表示:“机械手的挑战之一是确保对其进行足够精确的控制以使其软着陆在生物组织上。” “通过我们的设计,外科医生将能够直观地了解其机械手指与接触的距离,然后他们便可以用适当的力来使用这些信息来触摸易碎的结构。”
 
机器人辅助手术系统,也称为远程机器人手术系统,是外科医生的物理扩展。通过用自己的手指移动来控制机器人手指,外科医生可以远程执行复杂的操作,从而扩大了可以提供医疗护理的患者数量。而且,机械手的手指很小,这意味着可以用较小的切口进行手术,因为手术过程中外科医生无需进行大的切割即可将其手放在患者体内。
 
为了精确地移动他们的机械手指,外科医生依靠来自远程机器人手臂上的摄像头的实时视觉信息流。因此,他们调查显示器以使其手指运动与遥控机器人的手指运动相匹配。这样,他们就知道自己的机械手手指在空间中的位置以及这些手指彼此之间的距离。
 
但是,Park指出,仅视觉信息还不足以指导手指的精细运动,这在手指位于大脑或其他脆弱组织的附近时至关重要。
 
Park说:“外科医生只能间接地知道他们的实际手指彼此相距多远,也就是说,通过在视觉监视器上观察他们的机械手指相对于彼此的位置。” “这种全息景观减少了他们对实际手指彼此相距多远的感觉,从而影响了他们对机械手指的控制方式。”
 
为了解决这个问题,他们借鉴了东京工业大学的科学家为机器人手术中使用的机器人手臂设计的一种新型控制器。该控制器结合了市售机器人系统中使用的两种不同类型的抓持,以利用两者的优势,从而减少了外科医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》上发表的一项名为“Manipulation of a master manipulator with a combined‐grip‐handle of pinch and power grips”研究中,研究人员发明设计出一种结合了两种抓握方式的主控制器。研究人员设计的这个带有模块化主控制器的机器人手术系统,可以随时进行调整,以采用捏合,电动或组合抓紧方式。


 
基于这种前沿认识,Park和他的团队也想出了另一种方式来提供独立于视觉反馈的距离信息:通过使用装有刺激探针的手套,将不同频率的电流传递到指尖,研究人员能够训练用户将电流脉冲的频率与距离相关联,即增加电流频率表明距测试对象的闭合距离。然后,他们也比较了接受当前刺激以及与显示器上有关闭合距离的视觉信息,使得用户在估计距离方面比仅接收视觉信息的用户更好。
 
Park和他的团队还根据用户对电流频率的敏感性定制了他们的技术。换句话说,如果用户对更大范围的电流频率敏感,则以较小的步长增加电流来传递距离信息,以使接近度估计的准确性最大化。
研究人员发现,接受电脉冲的用户更了解与下表面的接近程度,并且可以将其接触力降低70%左右,性能要好于另一组。总体而言,他们观察到通过温和的电脉冲传递的邻近信息的有效性比仅视觉信息的有效性高三倍。
 
Park说,他们的新方法有可能显着提高手术期间的可操作性,同时最大程度地减少意外组织损伤的风险。他还说,他们的技术在手术过程中不会增加外科医生现有的精神负担。
 
他说:“我们的目标是提出一种解决方案,以提高接近度估计的准确性,而又不增加完成此任务所需的积极思考的负担。” “当我们的技术准备好在外科手术环境中使用时,医生将能够直观地知道其机械手指与基础结构之间的距离,这意味着他们可以继续专注于优化患者的外科手术效果。”
 
Park也认为,可以毫不夸张的说,此前东京工业大学在《国际医学机器人与计算机辅助外科杂志》上发表的结合了两种抓握方式的主控制器研究,可能是机器人辅助手术朝正确方向迈出的一步,其对机器人手术主控制器的操纵方法在直观性,舒适性,精度和稳定性方面都具有重大影响,这个方法除了能够进行精确的操作外,舒适的操纵方法,还可能使患者和外科医生受益。
 
而本次电诱发的近距离感觉可以增强遥控机器人捏的精细手指控制研究,也在此基础上让对于需要高控制精度的遥操作任务更进一步,尽管需要进一步的工作来分析与机械手臂操作有关的其他变量,但是这项工作无疑为高级外科手术机器人系统铺平了道路,当然,在未来如果成本能够下降,这或许也会不仅仅局限于手术机器人。


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