將由CompactRIO硬件平臺控制的高精度機(jī)器人設(shè)備用于腦瘤手術(shù)

挑戰(zhàn)：創(chuàng)建一個高精度的監(jiān)督和控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在微創(chuàng)神經(jīng)外科中，安全地移動機(jī)器人。
解決方案：使用NI CompactRIO平臺開發(fā)一個安全的、統(tǒng)更合理、更靈活且更可靠的高性能機(jī)器人控制系統(tǒng)。
 “由于CompactRIO硬件平臺及其靈活的編程環(huán)境，目前的解決方案比原來的原型設(shè)計更合理，可靠和有效率。”
機(jī)器人設(shè)備應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)已有40多年，目前研究人員仍然在不斷致力于開發(fā)出更加有效、安全的醫(yī)用機(jī)器人。有的工作站由于環(huán)境惡劣等緣故而只能由機(jī)器人進(jìn)行操作，相比于這些工業(yè)機(jī)器人，醫(yī)用機(jī)器人的工作必須與病人和醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行直接接觸。因此，醫(yī)療領(lǐng)域使用的機(jī)器人對安全性能的要求比工業(yè)領(lǐng)域更為復(fù)雜和嚴(yán)格。
這一挑戰(zhàn)對于神經(jīng)外科表現(xiàn)尤為明顯——因為在手術(shù)中，需要要求極高的精確度來定位外科手術(shù)工具。機(jī)器人可以比最有經(jīng)驗的神經(jīng)外科醫(yī)生實現(xiàn)更高的精確度和重復(fù)性。然而，他們不能對危險和突發(fā)事件作出及時和自主的響應(yīng)。
神經(jīng)外科觸覺設(shè)備
由于外科醫(yī)生不能將整個手術(shù)操作過程委托給一個機(jī)器人，因此最佳的機(jī)器人解決方案由主/從工作方式來實現(xiàn)。外科醫(yī)生指定一個動作給機(jī)器人設(shè)備，然后機(jī)器人移動手術(shù)儀器進(jìn)行精確定位。
由于這一主/從工作方式，外科醫(yī)生不能直接與儀器接觸，他們通過能重現(xiàn)人工手術(shù)操作中所有特有感覺的特殊傳感器，與手術(shù)操作過程保持一定程度的連接。這些被稱為觸覺設(shè)備的傳感器能在指令設(shè)備上重現(xiàn)力量感覺。該解決方案使機(jī)器人的工作安全狀況大大提高，因為機(jī)器人的所有動作都由外科醫(yī)生合理進(jìn)行控制。
機(jī)電一體化與醫(yī)用機(jī)器人和觸覺主/從機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同工作已經(jīng)超過10年，它也擔(dān)負(fù)起開發(fā)微創(chuàng)神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。在此應(yīng)用中，手術(shù)工具是一個腫瘤病變治療的特殊設(shè)備，該設(shè)備被稱為光子放射外科系統(tǒng)—ZEISS（PRS）。
PRS系統(tǒng)是一個低能量X-射線微型源，從插入顱腔中的探針頭上發(fā)出輻射。PRS允許外科醫(yī)生對腫瘤病變限定輻射量，以避免輻射線與腦組織的正常良好區(qū)域接觸。這種治療方式是微創(chuàng)性治療，因為探頭從直徑只有3至7毫米大小的洞中穿過。就病人的腦損傷和后期手術(shù)恢復(fù)方面而言，微創(chuàng)性治療具有很大的優(yōu)勢。
以前，外科醫(yī)生必須通過定位被稱為立體定向頭盔的金屬結(jié)構(gòu)上的設(shè)備，進(jìn)行PRS系統(tǒng)的手動控制（如圖1）。發(fā)射探頭通過齒條傳動穿過顱腔。金屬結(jié)構(gòu)作為定位神經(jīng)外科手術(shù)儀器的三維參考。然而，人工控制不能提供較高的定位精度，并且其功效在PRS系統(tǒng)應(yīng)用中僅局限于并不多見的球形腫瘤。
 
用于神經(jīng)外科的線性驅(qū)動器（LANS）
我們將注意力集中在把PRS系統(tǒng)的應(yīng)用擴(kuò)展到更為常見的橢圓腫瘤病變的病人。輻射量必須沿腫瘤病變的主軸進(jìn)行分布，從而使輻射球形范圍可以覆蓋到整個腫瘤病變區(qū)。由于執(zhí)行該動作需要一定的精度，因此需要用到機(jī)器人系統(tǒng)。所以，我們開發(fā)了用于神經(jīng)外科的線性驅(qū)動器(LANS)。
神經(jīng)外科線性驅(qū)動器是一個機(jī)器人設(shè)備，用于在觸覺主/從操作過程中以線性方式移動PRS微型源。研究人員使用一個來自英國的商業(yè)機(jī)器人NeuroMate，作為LANS的空間定位器。這樣使得手術(shù)進(jìn)展過程中微型源的軸，沿著腫瘤病變的主軸移動（如圖2）。外科醫(yī)生決定著顱腔內(nèi)探頭的運(yùn)動。

 
使用神經(jīng)外科線性驅(qū)動器，外科醫(yī)生可以感受到探頭和腦組織間的相互作用力，并相應(yīng)地作出反應(yīng)。此外，為了提高手術(shù)操作過程中的定位精確度，一個適當(dāng)?shù)奶摂M環(huán)境可以在手術(shù)操作過程中的每個階段引導(dǎo)外科醫(yī)生。
用于自動機(jī)器人控制的CompactRIO硬件平臺
整個觸覺主/從機(jī)器人系統(tǒng)的控制系統(tǒng)在管理手術(shù)過程中需要更高的堅固性和可靠性。第一個原型設(shè)計是用幾個自制的控制裝置創(chuàng)建而成，保證了控制冗余度和必要的安全狀況。然而，原型設(shè)計具有一定局限性——體積大，缺乏便攜性，以及需要大量的時間對控制和監(jiān)督模塊進(jìn)行編程。
我們使用CompactRIO系統(tǒng)和CompactRIO I/O模塊來解決這些問題。我們使用CompactRIO來創(chuàng)建控制器，實時地管理1千赫茲控制回路的主/從系統(tǒng)。冗余控制系統(tǒng)包含兩個現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）應(yīng)用程序，用于監(jiān)控和監(jiān)督整個手術(shù)操作過程，并且當(dāng)系統(tǒng)檢測到緊急情況時，該應(yīng)用程序會進(jìn)行干預(yù)。
由于CompactRIO硬件平臺及其靈活的編程環(huán)境，這一解決方案比原來的原型設(shè)計更精簡，更可靠和更有效率。目前，新的系統(tǒng)正在優(yōu)化，研究人員將在不久的未來開始臨床前的試驗。
 

作者信息:
V. Zanotto
DIEGM - Università di Udine
vanni.zanotto@uniud.it

本文已刊登于《電子元器件資訊》2010年5月刊