力觸覺反饋技術在脊柱外科手術機器人中的應用研究

于海洋

摘要：微創手術機器人應用在脊柱外科，不僅能提高手術的精度，降低手術中對微血管和神經的損傷風險，更避免醫務工作者長時間受輻射的危害。但與傳統手術相比，機器人輔助手術卻使醫務工作者喪失了與患者組織之間接觸時產生的交互作用力信息，在脊柱外科手術過程中難以確保定位針、椎弓根釘等器械進入病灶極其準確，不損傷骨髓神經或者將脊柱骨穿透。文中從脊柱外科手術機器人手術特點、以及力反饋在脊柱外科中的必要性等方面，對力觸覺反饋應用在脊柱外科手術機器人的實現方法進行研究。在匯總以前研究的基礎上，對相關研究做了展望。

關鍵詞：脊柱微創；力檢測技術；力觸覺反饋

中圖分類號：TP13 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0055-02

1 引言

當今世界，在生活水平不斷提高的同時，工作壓力也逐漸增大。久坐、久臥以及長時間伏案工作引起許多骨科疾病，例如脊柱形變、腰椎管狹窄等。我國每年有幾十萬例的脊柱外科手術，僅吉林大學第一醫院每年該類手術就超過3000例，現骨科醫務工作者對脊柱外科手術機器人的需求也日益迫切。

在外科手術中，力覺發揮著重要的作用，可以為醫生提供組織剛度、腫瘤位置等信息，防止醫生用力過度對正常的組織造成損害，在進行一些精細操作時可令醫生施加合適的作用力。然而，現有可遙操作的機器人系統，多使用按鍵或控制面板控制機器人，改變了醫生的操作習慣；力反饋的缺失是一個非常大的缺陷，操作者只能通過視覺反饋進行手術，增大手術的危險性；因此，用力反饋設備代替控制面板或按鍵實現操作者與遠程機器人之間的力覺信息交互，采用手術觸覺的方式，將機械手手術過程中置刀的手感反饋給操作者，讓術者在控制端有如臨現場親自動刀的手感覺，可極大的提高操作的準確度和可靠性。

2 手術觸覺反饋系統

脊柱外科手術遙操作機器人一般分為手術室內和室外兩個部分，室內部分包括機械手主體和其電子驅動控制系統、手術現場視覺圖像采集系統、手術觸覺反饋系統；室外部分主要包括機械手控制手柄、控制終端；手術室內、室外之間的信息傳遞采用無線傳輸的方式實現。

手術力反饋控制系統，手術操作過程中，采用機械手手術時，要實時獲取椎弓根刀的準確位置，手術觸覺反饋系統是將操作末端的運動、位置以及姿態等數據信息實時而準確地發送至核心處理器，并將數據通過顯示系統和控制系統反饋給醫生，使之獲得到真實地手術操作體驗，保證機械手操作安全可靠。

3 實現力觸覺反饋的關鍵技術

3.1 力和力矩反饋

力和力矩反饋系統中的傳感器主要由力和力矩傳感器組成。使用高精度力和力矩傳感器對機械系統前端術中所獲得的反饋力和反饋力矩進行采集，再經過高精度D/A轉換器轉換成數字信號，經過通信系統，送回控制系統。使操作者能夠實時、客觀地了解手術針在患者體內運動情況。由于脊柱中椎體、棘突、橫突和椎孔各個部位的骨密度具有差異性，所以通過傳感器對手術針運動過程中所遇到的阻力信號進行采集，經過PID算法對ΔF進行監控。當ΔF出現變化時，即有可能是手術針碰觸椎弓根內外壁的結果，此時系統會通過通信系統對操作者提出警示。

應變片因體積小、防水性好、可實現多自由度測量等原因成為廣泛的力檢測方式。應變片通常貼在一塊彈性體上來達到較好的測量精度，其測量效果取決于彈性體的變形程度，將應變片接入電阻電橋。當受到外力作用時，彈性體隨之產生應變，應變片的電阻和電橋的電壓也隨之發生變化，因而通過檢測電阻電橋輸出電壓的變化就可以將外力檢測出來。檢測元件的選擇與位置不知不僅要確保脊柱外科手術所需的高測量精度，還要滿足手術器械需高溫消毒等條件。為提高數據處理的準確性，還要對傳感器獲取的數據進行濾波、傳感器標定和傳感器重力補償等處理，測得最真實的力信息，才能進一步反饋至主手執行器端，給操作者以最佳的力覺臨場感。

3.2 基于生物阻抗的反饋系統

生物阻抗等效電路模型和生物組織內單個細胞的等效電路模型如圖1所示。

其中是細胞外液的電阻，是細胞外液并聯電容，是細胞膜的電阻，是細胞膜的并聯電容，是細胞內液的電阻，是細胞內液的并聯電容"在低頻范圍內（低于1MHz），細胞膜的漏電阻很大，可視為開路，而內外液的并聯電容和很小，也可視為開路。對于整個生物組織而言，由于生物組織是由大量的細胞組成，可視為許多細胞的集合，因此生物組織的電路模型也可用圖中所示的電路等效，只是此時的，，已不再是代表某個細胞內、外液電阻和細胞膜電容，而是代表整個生物組織的等效內、外液電阻和膜電容，這就是所謂的三元件生物阻抗模型。

椎弓根螺釘置入過程中最關鍵的步驟在于使用椎弓根開路器（又名椎弓根探子或椎弓根開孔器）在椎骨骨質上開出一個通道作為椎弓根螺釘的釘道，該過程直接決定了椎弓根螺釘置入的準確性，常規使用的椎弓根開路器是由金屬材料制成，可以作為探測電極使用，但是該器械只能構成電流回路的一極，另外一極必須放置在其他部位。以手術中必用的椎弓根開路器作為原型，依據臨床上對椎弓根開路器的生物力學強度要求，結合生物電阻抗測量要求，對臨床上常用的椎體成形器械進行改造，設計制作帶有雙電極結構的椎弓根開路器。通過電極施加不同頻率的信號，通過計算阻抗可以判斷出手術針在脊椎骨間位置，將位置信號反饋給操作者，有助于操作者更加準確地完成手術。

4 研究現狀及結論

脊柱微創手術機器人，是先進醫療技術與自動化技術的融合，現今比較成熟的脊柱機器人有以色列研制的Renaissance，法國研制的ROSA，中國北京積水潭醫院研制的Tirobot。韓國還在實驗研究階段的SOINEBOT，CORA，德國的 LWR。中科院沈陽自動化所和第三軍醫大學新橋醫院聯合研制的脊柱微創手術機器人系統及中科院深圳先進技術研究院等多家科研單位的多名研究人員合作研制的 RSSS（robotic spinal surgical system），脊柱微創手術機器人系統集成和可視等技術研究方面已經取得了較大的進步，但是在力觸覺反饋技術方面，還沒有取得實質的進展。本文對脊柱外科手術機器人可實現力觸覺反饋的方法進行了研究和分析，作者相信，隨著國家的快速發展和科研人員的不懈努力，力觸覺反饋技術在不久的將來會取得突破的進展。

參考文獻

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Abstract：Minimally invasive surgical robot can not only improve the precision of surgery， reduce the risk of nerve damage， but also prevent the long-term radiation exposure of medical workers in spinal surgery. However，the lack of intra-operative haptic feedback can increase the risk of the positioning needle， pedicle screws and other instruments enter the lesion accurately. In this article，haptic feedback system was reviewed from the characteristics of surgical operation， and the necessity of force feedback in spinal surgery. At last， the future research direction was suggested on the basis of the previous studies.

Key Words：minimally invasive spine surgery； force sensing technology ； haptic feedback；