一種新型的雙力傳感器與協(xié)作機(jī)器人助手在玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)中的應(yīng)用

1、1.介紹介紹2.雙力傳感器雙力傳感器3.有著力反饋的協(xié)作機(jī)器人助理有著力反饋的協(xié)作機(jī)器人助理4.實(shí)驗(yàn)和結(jié)果實(shí)驗(yàn)和結(jié)果5.討論與結(jié)論討論與結(jié)論摘要摘要這篇論文主要討論了基于光纖布拉格光柵（FBG）的一種新型的力傳感器的發(fā)展。它不僅可以檢測(cè)出位于眼睛內(nèi)部的手術(shù)器械的尖端的力，也可以提供器械與鞏膜相互作用力的信息。另外，這篇文章呈現(xiàn)了在有著鞏膜限制和聲學(xué)反饋的人體模型上輔助剝落視網(wǎng)膜的模擬機(jī)器人和傳感器的分析與設(shè)計(jì)1.介紹介紹 玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)是最具科技含量的顯微手術(shù)之一，因?yàn)樗笤谝粋€(gè)像眼球內(nèi)部一樣很小的受限的工作區(qū)域中，操作脆弱的組織時(shí)有著極好的精確的動(dòng)作。一個(gè)典型的手術(shù)任務(wù)就是剝離視網(wǎng)膜前膜

2、。這個(gè)手術(shù)中，外科醫(yī)生用一個(gè)小型的帶有微手術(shù)鉗的儀器穿過鞏膜套管并細(xì)心的把半透明的膜從視網(wǎng)膜上剝離。guapa等人在豬的尸體上進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在所有測(cè)量過的力當(dāng)中有75%的力是低于7.5mN的，而以這個(gè)力發(fā)生的動(dòng)作只有29%能被醫(yī)生感知到。此外，手術(shù)的表現(xiàn)還會(huì)受限于手的生理震顫、疲勞、差的肌肉運(yùn)動(dòng)知覺反饋、病人的動(dòng)作主從遙控式機(jī)器人系統(tǒng)主從遙控式機(jī)器人系統(tǒng) 這種主從配置的機(jī)器人加上運(yùn)動(dòng)縮放可以得到較為精確的控制，但是缺點(diǎn)是復(fù)雜的系統(tǒng)和高昂的成本MICRO：能在動(dòng)態(tài)中保持穩(wěn)定的設(shè)備，它能驅(qū)動(dòng)儀器的尖部，從而避免了用戶手的顫動(dòng)。它提供了一個(gè)直觀的界面和內(nèi)在的1：1的力反饋來提高操作精度。但是，由此帶

3、來的是沒有放大在手術(shù)過程中施加的人所察覺不到的力。作者的方法作者的方法需要人手操作的協(xié)作控制式系統(tǒng)，這種情況下醫(yī)生和機(jī)器人都持有手術(shù)器材。醫(yī)生施加在手術(shù)器材上的力會(huì)引導(dǎo)機(jī)器人配合人的動(dòng)作機(jī)器人的剛度保證了穩(wěn)定性，也減弱了震顫。結(jié)合了機(jī)器的精確性和靈活性。這種機(jī)器人還能增加額外的傳感器以增強(qiáng)對(duì)環(huán)境的感知能力我們發(fā)展了一組傳感器，這其中包括裝在儀器軸末端的光纖傳感器，它能夠直接測(cè)量工具和組織之間的相互作用力，并且能區(qū)分施加在儀器尖端的力和鞏膜的相互作用力。前面的研究已經(jīng)證明基于力傳感器的聽覺和觸覺的反饋能夠有效的提高所施加力的一致性并可以調(diào)節(jié)所施加力在一個(gè)期望的范圍。這些雙力算法被包含進(jìn)了協(xié)作控制

4、算法來提供聽覺和視覺的反饋。在這篇文章中，我們研究了基于雙力測(cè)量的力反饋的有效性，并把它和之前的控制方法做了比較，初步的結(jié)論是新的雙力傳感器配上不同的類型的力反饋方法能進(jìn)一步提高協(xié)作機(jī)器人助手在玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)的表現(xiàn)。2.雙力傳感器雙力傳感器FBG（光纖布拉格光柵），尺寸小、高靈敏度、低成本、可消毒性、生物適應(yīng)性好、并且不會(huì)收到靜電和電磁的干擾儀器的軸是一條直徑只有0.5mm的鈦線。為了集成FBG傳感器，三個(gè)正方形截面的通道（0.16*0.16mm）被沿縱向加工到軸上。這種傳感器沿著儀器的軸包含兩個(gè)力傳感單元。每一個(gè)都能測(cè)量垂直于軸的橫向力。每個(gè)FBG傳感器都有兩個(gè)長5mm的FBG段，其中一個(gè)

5、（尖FBG）距離儀器尖端的距離是5mm，它的中心布拉格波長是1535nm，另外一個(gè)是（鞏膜FBG）距離儀器頂端32mm處，它的中心布拉格波長是1555nm。A.設(shè)計(jì)FBG傳感器的局部應(yīng)力與施加的力（力矩）成比例。FBG傳感器中布拉格波長的變化與局部應(yīng)力和溫度的變化成比例。傳感器讀數(shù)與施加的力之間有著線性關(guān)系。尖FBG傳感器只能測(cè)量儀器尖端的力。鞏膜FBG傳感器對(duì)尖端力和鞏膜力都會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)。B.力的計(jì)算注意到，在儀器與組織相互作用力被不斷施加于尖部時(shí)，由于儀器插入眼部的長度不同，儀器接觸鞏膜產(chǎn)生的力會(huì)沿儀器軸分布在不同的位置。這是很重要的，因?yàn)槿绻@個(gè)接觸點(diǎn)不確定，鞏膜力傳感器就不能準(zhǔn)確的測(cè)量施

6、加于鞏膜的實(shí)際力的大小。這與外科醫(yī)生使用手持儀器感知鞏膜力是一樣的只感知儀器手柄的產(chǎn)生的力矩而不是實(shí)際作用與鞏膜的力。另外當(dāng)醫(yī)生在眼球上操作時(shí)，儀器在眼睛內(nèi)的長度只在很小的范圍內(nèi)變化。比如說，沿著視網(wǎng)膜的前端13mm的弧形路徑，只會(huì)產(chǎn)生1mm的軸向位移。C.討論3.協(xié)作機(jī)器人的力反饋協(xié)作機(jī)器人的力反饋我們把雙力傳感集成到穩(wěn)定手眼科機(jī)器人協(xié)作控制算法里。這里提出的力反饋控制算法是對(duì)儀器尖端力應(yīng)用聽覺反饋，對(duì)鞏膜力應(yīng)用觸覺反饋。因?yàn)獒t(yī)生在徒手模式里可以采用手持設(shè)備來感知鞏膜力，機(jī)器人設(shè)置里的對(duì)鞏膜力的觸覺反饋能為外科醫(yī)生提供更為直觀的感受。A.力到聽覺的替代它是在一個(gè)四力水平區(qū)域調(diào)節(jié)聲音“beep

7、”的節(jié)奏，對(duì)于小于1mN的力，它不會(huì)發(fā)聲，緩慢連續(xù)的聲音表明是1到3.5mN的“安全區(qū)”，節(jié)奏稍微快的聲音表明是3.5到7mN的警惕區(qū)，節(jié)奏非?？斓谋砻魇谴笥?mN的“危險(xiǎn)區(qū)”。B.力的縮放我們使用力的縮放來為鞏膜力提供觸覺反饋，這樣醫(yī)生就能像在徒手模式使用使用手持儀器一樣去感知鞏膜力4.實(shí)驗(yàn)和結(jié)論實(shí)驗(yàn)和結(jié)論先前的2自由度傳感器已經(jīng)表明在測(cè)量橫向力方面有很好的線性，因此在橫向力的兩個(gè)主軸（X，Y）方向上調(diào)節(jié)儀器就足夠了。基本的方法是對(duì)儀器施加已知的橫向力來測(cè)量每個(gè)FBG傳感器的布拉格波長的改變。主要分兩步：首先在儀器尖端處施加一個(gè)20mN的橫向力再者，在距離儀器尖端25mm處施加一個(gè)100mN

8、的橫向力A.傳感器的標(biāo)定B.膜剝落實(shí)驗(yàn)和力反饋1）模型和實(shí)驗(yàn)的布置 Balicki等人發(fā)現(xiàn)19mm的Clear Bandage的粘性標(biāo)簽?zāi)芴峁╊愃埔暰W(wǎng)膜組織操作時(shí)的剝離力，并具有很好的可重復(fù)性。另外，使用25mm高，50mm寬的丙烯酸固定物來拉緊橡膠圈以模擬單向鞏膜限制。我們比較了徒手操作、沒有力縮放的機(jī)器人助手、有基于鞏膜力縮放的機(jī)器人助手的三種操作模式。對(duì)每種情況，對(duì)象都會(huì)先進(jìn)行10組預(yù)實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)行10組實(shí)際的實(shí)驗(yàn)。 2）結(jié)果與先前的研究一致，在所有的情況下，聽覺反饋能調(diào)節(jié)儀器尖端的力在一個(gè)理想的閾值。5.討論與結(jié)論討論與結(jié)論在這篇文章中，我們提出了一種新型的應(yīng)用于玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)的雙力傳感器，它能夠測(cè)量儀器尖端與組織的相互作用力，也能夠測(cè)量在鞏膜進(jìn)入點(diǎn)的相互作用力。標(biāo)定過程表明它具有良好的線性。這種傳感器結(jié)合機(jī)器人助手可以提供人類