用虚拟夹具技术实现与鼻内镜手术辅助机器人的交互.docx

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用虚拟夹具技术实现与鼻内镜手术辅助机器人的交互

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用虚拟夹具技术实现与鼻内镜手术辅助机器人的交互

一、背景介绍

据国际癌症研究所调查：

全球40%左右的鼻咽癌发生在我国，我国的鼻炎患者有3亿人左右，且每年以3%的速度递增，每年因鼻咽癌变而致死的人数在20万人以上。

而生态环境破坏、空气污染加剧和社会快节奏的压力，使我国鼻炎的发病率高达30%以上，鼻炎以其发病率高、并发症多、难治愈等特点引起了国际医学界的广泛关注。

图1.1人体鼻腔鼻窦解剖结构

鼻窦组成：

额窦、蝶窦、筛窦、上颌窦，其作用包括参与湿润和温暖吸入的空气，还对人的脸部造型、支撑头颅内部、减轻头颅重量等方面起重要作用。

鼻内镜手术是治疗鼻腔鼻窦炎症、彻底清除鼻腔鼻窦病灶（如肿瘤、息肉等）、改善和重建鼻腔鼻窦通气引流功能的有效方法。

由于人体鼻腔鼻窦和眼眶及颅脑毗邻，因此鼻内镜手术也是某些鼻眼外科和颅底手术的便捷途径。

因鼻腔鼻窦解剖结构复杂、手术区域狭小和位置的特殊性，使得鼻内镜手术具有较高风险，易伤及周围的大血管、视神经及颅底的筛板等，造成严重的并发症。

在手术过程中，医生左手持鼻内镜、右手操作手术器械（吸引器、探针、咬切钳、双极电凝器等），深入鼻腔内部进行照明、探查、夹持、切割、钻孔等手术操作。

操作过程中通过鼻内镜实时拍摄手术视野并显示在屏幕上，医生根据屏幕上显示的鼻腔解剖结构对手术位置、病灶状况进行判断，实施手术。

这种传统手术模式，存在多方面的问题：

（1）由于手术通道狭窄细长，鼻内镜到达受术区，严重依赖医生经验，学习曲线长；

（2）医生长时间徒手持镜易疲劳、抖动，产生误操作；（3）对于一些复杂手术场景（比如位于鼻窦深处的囊肿，需要医生一手用吸引器吸住，另一手拿咬钳咬除），需要助手医生辅助持镜、主刀医生双手操作手术器械，两者操作易干涉，医生间协调配合难。

a）多臂式机器人ZEUSb）多臂式机器人DaVinci

图1.2主从遥操作的多臂式手术机器人系统

近年来，随着达芬奇手术机器人系统的成功应用，鼻内镜手术辅助机器人的研究也受到国内外学者的关注。

随着机器人技术的快速发展，机器人辅助手术作为一种全新的手术模式被人们逐渐接受，开始在医院应用推广。

机器人操作精度高，运动灵活，动作精细等特点解决了鼻内镜手术中的痛点。

因此，引入机器人来辅助医生把持鼻内镜，充当医生的第三只手，成为了鼻内镜手术发展的自然选择。

机器人辅助鼻内镜手术，可以将机器人的突出优点和医生经验结合起来，使得鼻内镜自动跟随医生手中器械，以最佳的配合距离和角度，辅助医生完成手术，从而使得主刀医生变单手操作为双手操作，增强操作稳定性、减少并发症、提高手术质量和安全性。

二、研究现状

随着机器人技术的快速发展，越来越多的微创手术机器人开始走向临床。

鼻内镜手术作为微创外科手术的一个分支，也受到世界各国机器人研究机构、医疗器械企业以及医疗机构的广泛关注，已有多家研究机构和企业推出了适用于鼻内镜手术的机器人，并开展了相应的临床实验研究，部分公司的机器人系统已经通过了FDA认证，实现了商业化。

下面分别介绍国内外研究机构在鼻内镜手术机器人研究上的主要工作。

目前适用于鼻内镜手术的机器人可分为两类：

被动式手术机器人和主动式手术机器人。

如图所示为目前传统鼻内镜手术的典型场景，在手术过程中，医生左手持鼻内镜、右手操作手术器械（吸引器、探针、咬切钳、双极电凝器等），深入鼻腔内部进行照明、探查、夹持、切割、钻孔等手术操作。

操作过程中通过人手调整鼻内镜的位姿获取手术视野，实施手术。

如图所示为引入机器人辅助医生在手术中持镜后，医生可以双手操作器械开展手术，机器人在术中的主要任务是辅助持镜，充当医生的第三只手。

a）传统鼻内镜手术b）机器人参与下鼻内镜手术

图2.1传统鼻内镜手术与机器人参与下鼻内镜手术

1）术前准备：

主要包括病人影像分析、手术术式确定和手术规划。

医生通过术前CT扫描图像，获取病人鼻腔鼻窦的三维图像信息，通过鼻腔鼻窦三维重建及可视化，进行手术诊断和规划——即设计鼻腔入口点、标识手术区以及确定手术入路等。

在准备好图像导航可视化信息及手术规划信息后，进行机器人和患者的摆位、消毒等术前准备步骤，并将机器人、病人以及导航系统注册到统一坐标系下。

2）术中阶段：

机器人的工作模式主要有三种：

自由拖动模式、约束拖动模式以及自动跟随模式。

医生根据不同手术阶段，选择合适的机器人工作模式，完成手术操作。

在自由拖动模式下，医生可以自由拖动机器人末端鼻内镜到达病人鼻腔上方附近，完成术中的机器人快速定位。

在约束拖动模式下，医生可以拖动机器人末端鼻内镜沿着术前规划的路径达到鼻腔内部受术区附近；在自动跟随模式下，鼻内镜可以主动跟随医生手中器械运动，自动把手术视野清晰平稳地显示在医生前面的显示屏上。

医生双手操作手术器械，完成各种手术操作，不用手工调节鼻内镜位姿。

3）术后阶段：

完成所有手术操作后，进行机器人复位、手术现场清理等。

三、辅助机器儿的结构设计

3.1RCM结构

鼻内镜手术中，内窥镜的操作空间具有狭窄细长的特点，这使得一般的持镜手术机器人难以直接应用于鼻内镜手术辅助持镜。

对于机器人末端执行机构，考虑到人体鼻腔鼻窦的解剖结构特点以及“倒漏斗”形状的鼻内镜工作空间，采用基于远端中心运动（RCM）机构的构型方案。

（如果一个机构上存在二个点，绕一个共同虚拟中心运动，则可以称这个机构绕此点作RCM运动，此机构称作RCM机构。

）

如图所示为其结构示意图，自由度1为移动关节，用于实现整个机器人沿垂直于手术床方向运动，自由度2和3为转动关节，用于实现机器人在手术床平面内位置调整。

如图所示为基于RCM机构的四自由度RRPR型末端执行机构示意图，自由度4和5为转动关节，用于构建RCM机构，手术中调整鼻内镜的姿态，自由度6为移动关节，用于控制鼻内镜深度进给运动，自由度7为转动关节，用于控制鼻内镜角度。

a）定型臂构型示意图b）末端执行机构构型示意图

图3.1鼻内镜手术辅助机器人构型示意图

3.2整体模型

图3.2设计完成的鼻内镜手术辅助机器人的整体模型

整个机器人样机由于驱动器分布式布置在各个关节电机的旁边，从而大大减少了系统的走线数量，使得整个机器人系统的走线基本上实现了内置，这有助于机器人的术后清洁、消毒等处理。

如图所示，鼻内镜在横断面和矢状面内的转动，可以通过二自由度的RCM

机构来实现但考虑到鼻内镜前端角度镜的角度不同（

等），故需要一个绕鼻内镜自身轴线的旋转运动来控制内窥镜的角度；最后再加上鼻内镜进出鼻腔的深度进给运动，从而确定机器人末端执行机构共需要四个自由度。

a）术中鼻内镜位姿b）不同角度的鼻内镜

图3.3术中鼻内镜位姿及鼻内镜种类

4、基于“虚拟夹具辅助操作技术”的运动规划

4.1虚拟夹具概况

虚拟夹具技术的概念是斯坦福大学的Rosenberg教授提出的，其表现形式可以是阻尼平面、摩擦平面、引力或斥力平面曲面等。

总之它是一种在软件中实现的通用引导方式，主要包括限制机器人的运动区域（禁止型虚拟夹具）或使机器人沿着预定轨迹运动（引导型虚拟夹具）。

构建了如下几种基本虚拟夹具几何体：

直线、空间曲线、空间平面、单叶双曲面和鼻腔鼻窦边界点云模型：

图4.1基本虚拟夹具几何体

4.2不同阶段具体约束

针对机器人手术中的不同运动控制阶段，结合不同虚拟夹具的特性，匹配不同的虚拟夹具种类加以约束，具体方案如下：

（1）在鼻内镜进入鼻腔前，机器人的末端进给自由度保持不动，鼻内镜从初始位置，运动到病人鼻腔入口点上方附近；该阶段中，鼻内镜远离病人，其运动精度要求不高，但要求运动响应快，方便医生与机器人交互。

因此，该阶段只需构建平面及单叶双曲面禁止型虚拟夹具对其运动范围加以约束即可。

（2）机器人的末端进给自由度保持不动，鼻内镜从鼻腔入口点上方附近，运动到鼻腔入口点RCM处；该阶段中，鼻内镜需要运动到鼻腔入口点，接近病人鼻腔，其运动精度要求高，运动响应要求低，同样要求方便医生与机器人交互。

因此，该阶段除了构建平面及单叶双曲面禁止型虚拟夹具对其运动范围加以约束外，还需要构建基于空间曲线的引导型虚拟夹具对机器人的运动进行引导。

（3）在鼻内镜进入鼻腔后，机器人定位臂保持不动，机器人末端在RCM机构约束下，驱动鼻内镜从鼻腔入口点（RCM点）到达受术区（鼻腔内部、4对鼻窦窦口附近）。

该阶段中，鼻内镜在鼻腔内运动，其运动精度要求高，运动响应要求低，必须保证运动过程的安全性，同样要求方便医生与机器人交互，医生可以在此阶段控制鼻内镜运动速度和方向，以便观察鼻腔鼻窦解剖结构。

在该阶段，本文利用前面机器人运动规划算法所得到的鼻腔入口点到受术区的路径构建引导型虚拟夹具，同时利用前面鼻腔鼻窦的三维点云边界模型生成禁止型虚拟夹具，对运动范围进行约束，保证运动的安全性。

（4）鼻内镜达到受术区后，机器人定位臂保持不动，鼻内镜跟随医生手中的器械运动，使得鼻内镜自动将手术视野清晰平稳地呈现出来。

该阶段中，鼻内镜在鼻腔内运动，其运动精度要求高运动响应要求高，必须保证运动过程的安全性，由于此阶段医生希望专注于手术器械操作，鼻内镜能够自动跟随其手中器械运动，把手术视野清晰平稳地显示出来。

因此，在该阶段，鼻内镜的运动约束为前面鼻腔鼻窦的三维点云边界模型生成的禁止型虚拟夹具。

图4.2虚拟夹具运动约束总体方案

五、受限空间下的安全控制

5.1信息控制流

图5.1协调工作流程图

5.2安全控制体系

通过构建医生主导的术中人机协作安全控制总体框架，从总体上对机器人的运动进行安全约束和控制，从而确保了机器人辅助鼻内镜手术的安全性。

为了确保手术过程的安全性，在安全控制总体框架中通过设置多种约束对机器人的运动进行引导和监控。

为了防止机器人末端鼻内镜与鼻腔组织碰撞和干涉，利用复合虚拟夹具对机器人的运动进行引导和约束；此外，通过对机器人的关节运动范围进行设置，对机器人的工作空间进行约束；最后为了进一步确保运动的安全性，利用机器人末端的六维力传感器，对鼻内镜与周围环境的接触力进行监控，设置相应的接触力阈值来确保鼻内镜运动安全。

六、革命性改变与总结

6.1优劣势分析

Ø6.1.1采用手术辅助机器人优势

1）针对鼻腔狭小复杂的解剖结构，基于病人术前CT医学影像序列构建了病人鼻腔鼻窦空间模型和病人鼻腔鼻窦边界点云模型。

在此基础上，采用全局路径搜索方法进行术中鼻内镜运动路径的搜索，获得了从鼻腔入口点到受术区（上颌窦、筛窦、碟窦、额窦的窦口附近）的鼻内镜安全运动路径，有效解决了鼻腔复杂解剖结构下手术入路难的问题；

2）基于虚拟夹具单元构建复合虚拟夹具，设计了基于鼻腔鼻窦解剖结构的虚拟夹具运动约束总体方案，在对机器人运动进行约束的同时，最大程度地保留了珍贵的手术操作空间，提高了机器人在受限操作空间下的运动安全性，实现了鼻内镜手术的全过程约束；

Ø6.1.2采用手术辅助机器人缺点

1）系统的学习曲线较长，还不够拟人化，系统与医生的配合需要较长时间磨合；

2）手术机器人的使用成本昂贵，表现在机器维修维护方面、手术费用以及专利垄断等；

3）手术医师的培训有待进一步规范，培训的理论、设备操作由于培训人员的缺乏、受训时间、临床实践指导等的种种原因存在限制。

6.2总结

使用微创手术机器人进行外科手术具有灵活性好，操作精度高，降低医生工作强度等优点，因此进行微创手术机器人技术的研究具有重要意义。

考虑到鼻内镜手术术式繁多，在后续的研究中，需要进一步考虑临床因素，设计相应的临床实验进一步研究及优化机器人系统的运动规划、约束及控制方法。