挑戰：創(chuàng )建一個(gè)高精度的監督和控制系統，該系統能夠在微創(chuàng )神經(jīng)外科中，安全地移動(dòng)機器人。

    解決方案：使用NI CompactRIO平臺開(kāi)發(fā)一個(gè)安全的、統更合理、更靈活且更可靠的高性能機器人控制系統。

     “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(lái)的原型設計更合理，可靠和有效率。”
機器人設備應用于醫療行業(yè)已有40多年，目前研究人員仍然在不斷致力于開(kāi)發(fā)出更加有效、安全的醫用機器人。有的工作站由于環(huán)境惡劣等緣故而只能由機器人進(jìn)行操作，相比于這些工業(yè)機器人，醫用機器人的工作必須與病人和醫務(wù)人員進(jìn)行直接接觸。因此，醫療領(lǐng)域使用的機器人對安全性能的要求比工業(yè)領(lǐng)域更為復雜和嚴格。

    這一挑戰對于神經(jīng)外科表現尤為明顯——因為在手術(shù)中，需要要求極高的精確度來(lái)定位外科手術(shù)工具。機器人可以比最有經(jīng)驗的神經(jīng)外科醫生實(shí)現更高的精確度和重復性。然而，他們不能對危險和突發(fā)事件作出及時(shí)和自主的響應。

    神經(jīng)外科觸覺(jué)設備

    由于外科醫生不能將整個(gè)手術(shù)操作過(guò)程委托給一個(gè)機器人，因此最佳的機器人解決方案由主/從工作方式來(lái)實(shí)現。外科醫生指定一個(gè)動(dòng)作給機器人設備，然后機器人移動(dòng)手術(shù)儀器進(jìn)行精確定位。

    由于這一主/從工作方式，外科醫生不能直接與儀器接觸，他們通過(guò)能重現人工手術(shù)操作中所有特有感覺(jué)的特殊傳感器，與手術(shù)操作過(guò)程保持一定程度的連接。這些被稱(chēng)為觸覺(jué)設備的傳感器能在指令設備上重現力量感覺(jué)。該解決方案使機器人的工作安全狀況大大提高，因為機器人的所有動(dòng)作都由外科醫生合理進(jìn)行控制。

    機電一體化與醫用機器人和觸覺(jué)主/從機器人系統協(xié)同工作已經(jīng)超過(guò)10年，它也擔負起開(kāi)發(fā)微創(chuàng )神經(jīng)外科手術(shù)機器人應用控制系統的挑戰。在此應用中，手術(shù)工具是一個(gè)腫瘤病變治療的特殊設備，該設備被稱(chēng)為光子放射外科系統—ZEISS（PRS）。

    PRS系統是一個(gè)低能量X-射線(xiàn)微型源，從插入顱腔中的探針頭上發(fā)出輻射。PRS允許外科醫生對腫瘤病變限定輻射量，以避免輻射線(xiàn)與腦組織的正常良好區域接觸。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(guò)。就病人的腦損傷和后期手術(shù)恢復方面而言，微創(chuàng )性治療具有很大的優(yōu)勢。

    以前，外科醫生必須通過(guò)定位被稱(chēng)為立體定向頭盔的金屬結構上的設備，進(jìn)行PRS系統的手動(dòng)控制（如圖1）。發(fā)射探頭通過(guò)齒條傳動(dòng)穿過(guò)顱腔。金屬結構作為定位神經(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系統應用中僅局限于并不多見(jiàn)的球形腫瘤。

             

    用于神經(jīng)外科的線(xiàn)性驅動(dòng)器（LANS）

    我們將注意力集中在把PRS系統的應用擴展到更為常見(jiàn)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(gè)腫瘤病變區。由于執行該動(dòng)作需要一定的精度，因此需要用到機器人系統。所以，我們開(kāi)發(fā)了用于神經(jīng)外科的線(xiàn)性驅動(dòng)器(LANS)。

    神經(jīng)外科線(xiàn)性驅動(dòng)器是一個(gè)機器人設備，用于在觸覺(jué)主/從操作過(guò)程中以線(xiàn)性方式移動(dòng)PRS微型源。研究人員使用一個(gè)來(lái)自英國的商業(yè)機器人NeuroMate，作為L(cháng)ANS的空間定位器。這樣使得手術(shù)進(jìn)展過(guò)程中微型源的軸，沿著(zhù)腫瘤病變的主軸移動(dòng)（如圖2）。外科醫生決定著(zhù)顱腔內探頭的運動(dòng)。

                    

    使用神經(jīng)外科線(xiàn)性驅動(dòng)器，外科醫生可以感受到探頭和腦組織間的相互作用力，并相應地作出反應。此外，為了提高手術(shù)操作過(guò)程中的定位精確度，一個(gè)適當的虛擬環(huán)境可以在手術(shù)操作過(guò)程中的每個(gè)階段引導外科醫生。

    用于自動(dòng)機器人控制的CompactRIO硬件平臺

    整個(gè)觸覺(jué)主/從機器人系統的控制系統在管理手術(shù)過(guò)程中需要更高的堅固性和可靠性。第一個(gè)原型設計是用幾個(gè)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，原型設計具有一定局限性——體積大，缺乏便攜性，以及需要大量的時(shí)間對控制和監督模塊進(jìn)行編程。

    我們使用CompactRIO系統和CompactRIO I/O模塊來(lái)解決這些問(wèn)題。我們使用CompactRIO來(lái)創(chuàng )建控制器，實(shí)時(shí)地管理1千赫茲控制回路的主/從系統。冗余控制系統包含兩個(gè)現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）應用程序，用于監控和監督整個(gè)手術(shù)操作過(guò)程，并且當系統檢測到緊急情況時(shí)，該應用程序會(huì )進(jìn)行干預。

    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(lái)的原型設計更精簡(jiǎn)，更可靠和更有效率。目前，新的系統正在優(yōu)化，研究人員將在不久的未來(lái)開(kāi)始臨床前的試驗。