虚拟现实技术在微创手术机器人中的应用研究

虚拟现实技术在微创手术机器人中的应用研究1虚拟现实技术在微创手术机器人中的应用研究ResearchonApplicationofVirtualRealityTechnologyforMinimallyInvasiveSurgicalOperationRobotAbstract:Virtualrealityisthekeytechnologyofminimallyinvasivesurgicaloperationrobot,ofwhichtheapplicationsaboutvirtualrealitymainlyincludeforcefeedbacktechnology,haptictechnologyandvisionfeedbacktechnology.ThepaperIntroducesrelevantprogressesinthedomesticandoverseas,analysesthekeytechnologiesandextendstodiscussit.Keywords:virtualreality;minimallyinvasivesurgicaloperation;robot摘要:虚拟现实技术是微创手术机器人的关键技术，微创手术机器人上的虚拟现实应用主要是力反馈技术、触觉反馈技术、视觉反馈技术以及虚拟手术系统平台。本文介绍了国内外的发展状况，分析了其中的关键技术，并对其进行了延伸和讨论。关键词:虚拟现实微创手术机器人1引言随着社会的不断发展和人民生活水平的不断提高医疗外科领域也在不断地进步，医疗问题一直是社会的焦点并得到越来越多的重视。在外科手术中，人们不仅在手术的成功率上比较重视，而且也越来越重视手术的过程与所用到的技术和设备及术后康复等问题。传统的微创医疗手段已经不能满足人们对治疗效果的需求。由此，微创外科手术机器人应运而生。微创外科手术在传统的外科手术基础上，以术后恢复快、创伤小、不易感染等很多优点，得到实践并迅速发展。在21世纪之前作为微创外科代表的腹腔镜手术已达到了一定的技术瓶颈，虽然它已成为最早开放性手术的一次变革，但是随着新世纪的到来科学技术的不断革新，腹腔镜技术已经满足不了现代微创手术的高精度、高效率、高智能化的特点。与此同时机器人技术在不断的前进以及其在各个领域应用的逐日增加，这为外科手术在质的飞跃上奠定了良好的基础。到目前为止,机器人技术在医疗微创外科手术中已经得到了非常广泛的应用，这种技术的引入不仅仅完善了传统微创医疗中的不足,并且带动了新领域中新技术、新理论的发展。手术机器人作为先进机器人技术的代表是集多学科多领域为一体的新型科研领域，推动了世界微创手术的进步，手术机器人的飞快发展改变了以往的手术方式，主治医师不再借助腹腔镜等机械设备直接对患者做手术，而是通过计算机及机器人的辅助间接地完成，这样的主从式手术机器人不仅提高了手术的精度而且避免了许多腹腔镜手术的缺点，最突出的就是避免了主治医师长时间操作手术而出现的疲劳现象。现代手术机器人关键的技术之一就是感知觉，主要包括视觉和触觉。虚拟现实(VR-virtualreality)技术就是利用计算机技术和传感技术生成一个逼真的具有视觉、触觉等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。将虚拟现实技术作虚拟现实技术在微创手术机器人中的应用研究2用手术机器人，手术医生通过机器人进行手术时就可以看到实时的手术情况并且有触觉感知，这将大大提高手术操作的准确率和成功率，这样外科医生就可以通过小的切口或开口来实施手术操作，因此接触人体内部组织就不必打开人体体腔。2国内外研究状况2001年，由海军总医院、北京航天航空大学等多家科研机构共同研制了应用于临床的第二代无框架立体定向手术机器人。由于引入了虚拟实现技术拥有手术规划的程序，所以提高了手术的精度和安全性。国内首台可用于临床外科手术的微创机器人妙手A（McroHandA）是由天津大学和南开大学等一些科研机构在2010年共同研制的。妙手机器人是我国科研人员通过几年的研究所创作的我国第一台自主的可用于微创手术的手术机器人，并且现在妙手机器人也通过了临床的实验可用于实际手术操作。如图1所示，妙手A系统面向腹腔微创手术，改善了传统的开腹式手术，不仅创伤减小了而且新技术的应用也提高了手术的各项精度，妙手机器人的系统中包含可模拟微创手术的仿真模块，不仅可以进行临床手术也可以为一些重要的外科微创手术提前做好手术规划使手术效果更好。妙手微创手术机器人的视觉控制系统中应用了新的投影算法，这种算法在手术机器人的可视化成像系统中发挥着重要的作用，该先进技术弥补了我国微创外科三维视觉领域的空白[1]。图1秒手A手术机器人2000年1月初，IntuitiveSurgical公司成功研发出达芬奇机器人高清手术系统（DaVinciSiHDSurgicalSystem），它也是即ZEUS手术机器人之后世界最先进最智能化的微创手术机器人，如图2所示为达芬奇机器人高清手术系统手术机器人总体操作系统。系统和ZEUS手术机器人相似主要分为两部分，一部分就是手术医师的操作端，也称为控制端，还有一部分就是对病人操作的执行端，除了这两大块部分，更值得一提的就是达芬奇具有更清晰的视觉系统，能够让手术医师在一个良好的视觉环境下工作。手术医师在控制台控制达芬奇手术机器人主操作手，从操作完成执行动作，多功能手术床有三个机器人手臂和一个内窥镜臂，医师通过脚踏板来控制视觉系统[2]。另外研发人员已经针对该机器人开发了一款训练平台，用于监测和记录外科医生在某个训练项目时的表现，并确保外科医生采用了正确的动作来完成手术。该训练平台还结合了实时的视觉反馈，用于显示告诉学员对训练任务或动画组织施加了多大的力。这种视觉反馈有助于学员在手术过程中减少对患者组织的损伤。图2达芬奇手术机器人虚拟现实技术在微创手术机器人中的应用研究33关键技术讨论虚拟现实技术用于微创手术机器人主要用于两方面，一方面增强临床手术的操作效果来提高手术操纵性，另一方面是用于模拟现实的环境重绘仿真训练。虚拟现实技术作用于机器人提高了微创手术的精准性，已经得到了外科医生的广泛认可，本节对微创手术机器人的虚拟现实关键技术进行了介绍和讨论。3.1力反馈技术在控制机械手时，只有视觉感知而没有力觉感知会大大降低手术操作中的准确性，力觉反馈是机械手控制中不可缺少的信息。所以夹持器上必须要有传感装置，这是实现对目标控制的首要环节[3]。目前，很多研究机构在解决微夹持器的力感知功能的问题主要是通过在夹持器械上集成多维力传感装置的方法来解决此问题，将传感装置集成在机械手的腕部可以检测到夹持手指的受力信息，但是从夹持手指夹持物体到力觉传感装置获取夹持力的信息需要通过中间机构的传递，这样非直接获得夹持力信息的方式会影响信息的准确性。如果设计一种可以集成在夹持手指末端的一维力传感装置，这样可以第一时间检测到手指夹持力的信息，通过控制终端的信号处理实现力反馈控制的“零延迟”。力的检测只是力反馈的输入信息，下一步则是力觉再现技术，主要包括感觉模拟技术和直接再现技术。所谓感觉模拟技术是指将力传感器上所感受到的力觉信息，模拟成视觉或听觉信息，并且将这些信息通过显示器显示给外科医生。有研究者以达芬奇机器人打结为例，比较了该机器人是否使用感觉模拟技术，对缝线作用力的不同情况。多次实验结果表明：从准确度上看，使用感觉模拟技术时，机器人打结时对缝线的作用力与医生手打结时的作用力更加接近；从精确度上看，使用感觉模拟技术时，机器人打结时对缝线作用力的变异系数与医生手打结时作用力的变异系数无显著差异;与未使用感觉模拟技术的机器人相比，以听觉形式模拟的机器人其精确度提高了50.2%，以视觉形式模拟的机器人其精确度提高84.1%。该实验证明，感觉模拟技术可以作为一种实用的力觉再现技术[4]。但由于医生不习惯于模拟技术，所以会延长学习时间。直接力觉再现技术，是通过力觉再现设备将传感器获取的力觉信息转换为相应的刺激，并且施加于医生的手指，以复现真实的感觉。3.2触觉反馈技术手术机器人的触觉反馈，指机械臂操作器械作用于组织时，触觉传感器能够感受到组织表面的信息(例如组织顺应性、硬度、质地、温度等)，并将这些信息反馈给医生，从而使医生获得对于组织的真实感觉，并能够对异常组织做出判断。触觉反馈系统主要由3部分组成:(1)触觉信息的感受;(2)触觉信息的处理，即将所获得信息进行处理，整理得到有用的信息;(3)触觉信息的再现，将有用的信息再现给医生。众所周知，触诊对于外科医生来说是一项重要的检查手段，它可以判断出组织的不同特性。当手术机器人安装了触觉反馈系统时，外科医生在操作机器人做手术时，就可以对组织进行触诊，从而有效弥补微创腔镜手术的不足。在机器人手术中，组织顺应性的判断，对于确定器官肿瘤和心脏中的钙化动脉是有益的。Yamamoto等制造了一种内含钙化动脉的心脏模型，采用带有图像模拟技术的达芬奇手术机器人，成功地在模型上发现了钙化的动脉[5]。目前，在手术机器人触觉反馈的研究中，尚缺乏采用。不同于力反馈，用户在虚拟环境中进行操作不单只需要一个力的感觉,更需要感受和在现实世界中进行操作一样的真实力反馈。所以目前基于刺穿深度和虎克定律的力觉生成方法，今后的研究应将更多的虚拟物体的物理属性(如重力、空气阻力、摩擦、硬度等)加入到力反馈从而实现触觉生成。3.3视觉反馈技术视觉反馈不光是微创手术机器人的重要技术，也是机器人系统最基本的技术。医生在临床手术是视觉信息是非常重要的，在做模拟手术实验时，虚拟的视觉反馈信息是最基础的。视觉反馈与触力觉反馈相结合具有更好的效果，但是随着视觉技术的发展，视觉替代也有可能。视觉替代也就是将力觉信息转换为视觉提示覆盖内窥镜提供的部分手术视野，是临床应用最具前景的方法.图3表示了在遥操作手术中力觉反馈被相映的视觉信息替代的过程，图中交互作用力的视觉提示就是一个图形指示条，其高度随着交互作用力的大小产生相应变化．在过去的几年里，约翰霍普金斯大学的Haptics实验室一直致力于将连续的视觉信虚拟现实技术在微创手术机器人中的应用研究4息与现有手术视野集成在一起不惹眼地展示给操作者[6]，视觉提示从最初静止的图形指示条逐步演化为半透明的指示点，并且能够跟随手术器械的运动，指示点的颜色随交互作用力的大小而改变。图3力反馈的视觉替代3.4虚拟手术系统目前，虚拟现实技术已被证实为一种培训年轻医生手术技能的有效方法，因此建立相应的手术虚拟现实模型以及外科学培训系统平台也越来越得到医学与工程专家的共识。随着计算机技术的发展，模拟系统集成触觉力反馈装置的成本也越来越低，已经有越来越多的大学及教学医院开始应用虚拟手术系统进行对初学者的培训。受训者在经过相应的课程学习和操作训练后，对培训项目的技术掌握，如灵巧度、操作速度、准确度上有着显著地提高，甚至对于一些有着临床经验的医生也有一定的帮助。因为虚拟系统的使用者可以反复操作整个任务程序，全面的完成手术过程，处理真实手术过程中可能发生的常见紧急情况，从而得到与真实手术室环境下相类似的手术技能。例如在临床上，耳鼻喉头颈外科医师需要对颞骨解剖有扎实的基础知识，由于外耳道骨部、中耳、内耳均位于颞骨之中，而颞骨深寓软组织之中，无法直接观察病变范围及其周围结构的关系[7]，因此基于虚拟现实技术的耳显微外科仿真系统研究对于培养年轻医师的手术操作技能，以及患者实际手术前的预测与术中的辅助都具有广阔的应用前景。虚拟手术系统因其能逼真地演绎微创外科手术的环境和操作的过程，对手术训练和教学有很高的应用价值，年轻的医学生通过模拟系统掌握手术部位解剖结构、熟练使用各种器械、反复练习基本手术技能。由于手术操作是精细复杂的过程，对虚拟手术器械的操作模拟非常重要，使用带有传感器的设备模拟出操作手术器械的移动、旋转等相应动作。虚拟手术过程器械和组织之间的接触应根据虚拟对象的自身特性进行模拟，非刚性的组织器官碰撞到手术器