手術(shù)機(jī)器人性能評(píng)價(jià)方法的探討

孟祥峰，張超，唐橋虹，王浩，王晨希，李佳戈

中國(guó)食品藥品檢定研究院 光機(jī)電室，北京100050

引言

近年來，作為一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，機(jī)器人特別是醫(yī)用機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到了世界各國(guó)的高度關(guān)注。醫(yī)用機(jī)器人在微創(chuàng)手術(shù)、骨科手術(shù)、患者疾病監(jiān)控及護(hù)理、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能康復(fù)等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力[1-10]。機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)患者而言，使其住院時(shí)間縮短，并發(fā)癥和手術(shù)瘢痕減少；對(duì)外科醫(yī)生而言，它允許在手術(shù)時(shí)采用坐姿進(jìn)行操作，控制更多的器械或執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，減少勞動(dòng)力成本，實(shí)現(xiàn)精確的定位和穩(wěn)定的操作，增加了外科手術(shù)操作的靈活性。醫(yī)用機(jī)器人目前主要有兩種形式，一是主從式：由現(xiàn)場(chǎng)操作人員連續(xù)控制或遠(yuǎn)程連接，并搭配3D 顯示技術(shù)，實(shí)時(shí)顯示手術(shù)畫面[11-12]。腹腔微創(chuàng)手術(shù)多采用主從遙控操作技術(shù)，如達(dá)芬奇外科系統(tǒng)；二是圖像引導(dǎo)式：手術(shù)計(jì)劃由機(jī)器人執(zhí)行，通常由導(dǎo)航系統(tǒng)或其他跟蹤方法引導(dǎo)[13-14]。骨科和神經(jīng)外科手術(shù)系統(tǒng)多采用圖像引導(dǎo)技術(shù)，醫(yī)用機(jī)器人根據(jù)醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行3D 建模和手術(shù)規(guī)劃，預(yù)先定義手術(shù)工具的導(dǎo)引方位，為手術(shù)提供所有需要的數(shù)據(jù)，并通過虛擬空間與患者空間的配準(zhǔn)和追蹤，監(jiān)控工具尖端的位置，精準(zhǔn)定位，幫助醫(yī)生完成實(shí)時(shí)監(jiān)控和手術(shù)。圖像引導(dǎo)式手術(shù)機(jī)器人一般包含機(jī)械臂系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分，如圖1 所示，控制系統(tǒng)完成手術(shù)的規(guī)劃及各部分的控制，對(duì)手術(shù)過程實(shí)時(shí)顯示，機(jī)械臂系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確定位與動(dòng)作，導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)患者坐標(biāo)系、機(jī)械臂坐標(biāo)系、術(shù)前影像坐標(biāo)系的統(tǒng)一與實(shí)時(shí)追蹤補(bǔ)償。

醫(yī)用機(jī)器人是指采用機(jī)器人技術(shù)的醫(yī)用電氣設(shè)備/系統(tǒng)[15]，對(duì)于電氣安全和電磁兼容國(guó)內(nèi)外出臺(tái)了部分標(biāo)準(zhǔn)[16-19]，然而對(duì)于醫(yī)用機(jī)器人的性能尚未出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前對(duì)于醫(yī)用機(jī)器人的性能評(píng)價(jià)多參照一般工業(yè)機(jī)器人，關(guān)注機(jī)械定位、位姿準(zhǔn)確性等指標(biāo)[20]，限于機(jī)械臂、導(dǎo)航相機(jī)等部件級(jí)性能，不能完整表達(dá)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用精度，性能驗(yàn)證的指導(dǎo)意義不夠全面。根據(jù)醫(yī)用機(jī)器人的臨床應(yīng)用流程，如何建立基于醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，是亟需解決的問題。本文以圖像引導(dǎo)式手術(shù)機(jī)器人為例，對(duì)醫(yī)用機(jī)器人性能影響因素進(jìn)行分析，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)。

圖1 圖像引導(dǎo)式手術(shù)機(jī)器人組成示意圖

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)定位精度的評(píng)價(jià)

機(jī)械臂本身的定位準(zhǔn)確度按照常規(guī)方法，即在有效工作空間內(nèi)選定分布邊長(zhǎng)為300 mm 的立方體上8 個(gè)頂點(diǎn)和1個(gè)中間點(diǎn)：A、B、C、D、E、F、G、H、J，如圖2 所示，從A 點(diǎn)出發(fā)，控制機(jī)械臂從A 點(diǎn)分別運(yùn)動(dòng)到B～J 點(diǎn)，每次運(yùn)動(dòng)完成，用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量器械末端坐標(biāo)值，計(jì)算點(diǎn)A 與其他各點(diǎn)的距離XA[21]，計(jì)算值與設(shè)定值的偏差為定位準(zhǔn)確度。

圖2 機(jī)械臂定位準(zhǔn)確度測(cè)量示意圖

對(duì)于系統(tǒng)定位精度，通過對(duì)醫(yī)用機(jī)器人的基本組成和工作方式進(jìn)行分析，影響其系統(tǒng)定位精度的因素可歸納為四點(diǎn)：① 機(jī)械臂是定位實(shí)施的主體，其定位準(zhǔn)確度會(huì)影響系統(tǒng)精度；② 導(dǎo)航系統(tǒng)追蹤的準(zhǔn)確性會(huì)影響系統(tǒng)精度，實(shí)際上導(dǎo)航的追蹤能實(shí)時(shí)指示機(jī)械臂的當(dāng)前坐標(biāo)，一定程度上減小因機(jī)械臂本身定位不準(zhǔn)對(duì)整體精度的影響；③ 機(jī)械臂末端器械安裝的重復(fù)性也會(huì)影響系統(tǒng)精度，包括安裝槽與器械的吻合程度、鎖止裝置的鎖止力大小，這些都可能成為影響安裝重復(fù)性的因素進(jìn)而影響系統(tǒng)精度；④ 除硬件本身的性能外，軟件算法的配準(zhǔn)精度及醫(yī)學(xué)影像本身的畸變、偽影等都會(huì)影響系統(tǒng)的整體精度。

如何納入以上四點(diǎn)因素，并量化系統(tǒng)精度是本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。對(duì)于圖像引導(dǎo)式手術(shù)機(jī)器人最常見應(yīng)用為方向引導(dǎo)，如直線方向引導(dǎo)，本文將所引導(dǎo)的方向抽象為空間向量，通過比較空間兩向量的夾角和模長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定位精度的評(píng)價(jià)。

實(shí)驗(yàn)采用定位模體，模體結(jié)構(gòu)如圖3a 所示。通過規(guī)劃模體上空間兩點(diǎn)作為起點(diǎn)和終點(diǎn)（規(guī)劃路徑考量了機(jī)器人實(shí)際工作空間，其方位選擇為臨床代表性方位）。使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行起點(diǎn)和終點(diǎn)位置探測(cè)，得到標(biāo)稱空間向量；進(jìn)而控制機(jī)械臂使手術(shù)工具到達(dá)規(guī)劃的起點(diǎn)和終點(diǎn)，對(duì)手術(shù)工具對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得到機(jī)器人實(shí)際到達(dá)的空間向量，如圖3b 所示，比較二者的偏差。

圖3 系統(tǒng)定位精度評(píng)價(jià)示意圖

實(shí)際操作中，在軟件中導(dǎo)入模體影像進(jìn)行配準(zhǔn)（納入因素④），并進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，起點(diǎn)是圓柱頂端靶點(diǎn)的球心位置，終點(diǎn)是底部靶點(diǎn)的球心位置。進(jìn)行視覺標(biāo)記識(shí)別，通過導(dǎo)航相機(jī)獲得模體和機(jī)械臂的相對(duì)位置關(guān)系（納入因素②）。

使用空間坐標(biāo)測(cè)量裝置探測(cè)模體起點(diǎn)和終點(diǎn)位置，獲得模體的起點(diǎn)位置坐標(biāo)E（xE，yE，zE） 和終點(diǎn)坐標(biāo)T（xT，yT，zT） 。

機(jī)械臂安裝具有特殊標(biāo)記點(diǎn)的手術(shù)工具（納入因素③）到達(dá)規(guī)劃起點(diǎn)和終點(diǎn)位置（納入因素①），并用空間坐標(biāo)測(cè)量裝置獲得器械末端的起點(diǎn)位置坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)

規(guī)劃的軌跡方向向量見式(1)～(2)：

距離偏差E 為規(guī)劃軌跡向量長(zhǎng)度E' T'與器械實(shí)際到達(dá)的軌跡向量ET長(zhǎng)度的差值，見式(3)：

角度偏差θi為規(guī)劃軌跡路線向量方向與器械實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡向量方向之間的夾角，見式(4)：

1.2 系統(tǒng)延時(shí)的評(píng)價(jià)

對(duì)于圖像引導(dǎo)式手術(shù)機(jī)器人，需要使用導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位患者與機(jī)械臂之間的相對(duì)位置，導(dǎo)航系統(tǒng)的相機(jī)以一定刷新頻率在不斷地檢測(cè)機(jī)械臂和患者身上標(biāo)記點(diǎn)的位置，如果患者身上標(biāo)記點(diǎn)的位置發(fā)生了移動(dòng)，那么導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)指引機(jī)械臂做出相應(yīng)動(dòng)作進(jìn)行補(bǔ)償，保證手術(shù)的精度。由于在這個(gè)過程中需要進(jìn)行探測(cè)、計(jì)算、反饋、補(bǔ)償?shù)葎?dòng)作，就會(huì)出現(xiàn)操作延時(shí)。這會(huì)直接影響醫(yī)生的操作速度從而降低工作效率，增加操作失誤的可能性，同時(shí)也會(huì)增加初期使用機(jī)器人醫(yī)生的學(xué)習(xí)難度。

精準(zhǔn)捕捉從位移—導(dǎo)航追蹤-軟件控制—器械運(yùn)動(dòng)全鏈條的運(yùn)動(dòng)延遲是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)為模體，運(yùn)動(dòng)的終端為器械，二者的延時(shí)即為系統(tǒng)延時(shí)。為防止接觸測(cè)量的震動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果帶來的影響，本文采用兩個(gè)非接觸式光學(xué)位移傳感器，分別監(jiān)測(cè)模體和機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行信號(hào)采集，如圖4 所示。當(dāng)使用穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生模體運(yùn)動(dòng)時(shí)，記錄此時(shí)的位移傳感器信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過導(dǎo)航系統(tǒng)的補(bǔ)償機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，記錄機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移傳感器信號(hào)，二者信號(hào)同步采集，計(jì)算二者信號(hào)的時(shí)間偏差，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)延時(shí)的評(píng)價(jià)如圖5 所示。

圖4 系統(tǒng)延時(shí)測(cè)試布置圖

圖5 系統(tǒng)延時(shí)信號(hào)采集

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 系統(tǒng)定位誤差

分別按照機(jī)械臂定位準(zhǔn)確度的實(shí)驗(yàn)方法，以及本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)定位精度測(cè)量實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量，機(jī)械臂定位準(zhǔn)確度8 個(gè)距離最大偏差為0.8 mm。系統(tǒng)精度測(cè)量?jī)煽臻g向量ET與E′ T′如圖6 所示。系統(tǒng)精度的長(zhǎng)度偏差為0.12 mm，角度偏差為0.26°。

圖6 系統(tǒng)精度測(cè)量三維向量

2.2 系統(tǒng)延時(shí)

瓣膜系統(tǒng)延時(shí)監(jiān)測(cè)曲線如圖7 所示。測(cè)量模體由靜止到運(yùn)動(dòng)的情況下，從模體移動(dòng)到機(jī)械臂移動(dòng)的延時(shí)△t1；測(cè)量模體由運(yùn)動(dòng)到靜止的情況下，從模體停止到機(jī)械臂停止的延時(shí)△t2；以移動(dòng)距離偏差＞0.1 mm 時(shí)作為啟動(dòng)開始時(shí)間，△t1 為301 ms，△t2 為287 ms。

圖7 系統(tǒng)延時(shí)位移量-時(shí)間曲線

3 討論

在系統(tǒng)定位精度測(cè)量上，實(shí)驗(yàn)通過空間定位模體的測(cè)試，在設(shè)備正常工作范圍內(nèi)選擇具有代表性的空間導(dǎo)引方向，通過起點(diǎn)、終點(diǎn)靶標(biāo)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)劃，模擬了臨床方向引導(dǎo)規(guī)劃應(yīng)用的場(chǎng)景，同時(shí)將定位精度誤差抽象為空間兩向量相對(duì)位置的比較，達(dá)到系統(tǒng)精度評(píng)價(jià)的目的。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)運(yùn)用的模體可通過三維測(cè)量裝置在檢測(cè)前進(jìn)行校準(zhǔn)，便于實(shí)現(xiàn)測(cè)試工具的溯源。為了證明機(jī)械臂定位準(zhǔn)確度并不能完全代表系統(tǒng)的定位精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)精度的長(zhǎng)度偏差與機(jī)械臂定位準(zhǔn)確度的比較，二者存在差異，系統(tǒng)精度的長(zhǎng)度偏差小于機(jī)械臂定位準(zhǔn)確度。造成差異的原因分析為：① 實(shí)際規(guī)劃長(zhǎng)度要小于機(jī)械臂本身的運(yùn)動(dòng)空間大小，空間越大可能造成偏差增加；② 機(jī)械臂本身的偏差可能會(huì)被導(dǎo)航儀定位進(jìn)行修正，機(jī)械臂定位準(zhǔn)確與否不能直接證明系統(tǒng)精度的大小。機(jī)械臂雖是器械定位的實(shí)施主體，精度雖很重要，但不是唯一的影響因素。這也充分說明考量系統(tǒng)精度的必要性。

在系統(tǒng)延時(shí)測(cè)量上，考慮了整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)閉環(huán)反饋的系統(tǒng)延時(shí)時(shí)長(zhǎng)，采用非接觸式位移傳感器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免了由于接觸測(cè)量自身的抖動(dòng)帶來的非預(yù)期移動(dòng)追蹤帶來的測(cè)量偏差。本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了從靜止到動(dòng)態(tài)和從動(dòng)態(tài)到靜止的兩種不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的延遲，二者大值為301 ms，相差14 ms，300 ms 的延遲明顯會(huì)被人感知，帶來一種滯后感，這是一個(gè)容易引起誤操作的指標(biāo)，應(yīng)引起關(guān)注；兩種不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下延時(shí)稍有差別，說明可能操作者對(duì)于設(shè)備的操作步驟，或者患者的固定方式對(duì)于延遲性能會(huì)帶來一定影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)綜合考慮各種不利情況。

4 結(jié)論

目前關(guān)于機(jī)器人的各種測(cè)量方法大多關(guān)注機(jī)械臂、導(dǎo)航系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的性能，對(duì)于系統(tǒng)實(shí)際臨床應(yīng)用的性能考量還不夠。本文分析了醫(yī)用機(jī)器人的系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，并設(shè)計(jì)了評(píng)價(jià)方法，考量了由于各部件的綜合因素造成的系統(tǒng)偏差，同時(shí)比較了機(jī)械臂與系統(tǒng)的定位精度，以及機(jī)器人不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的延遲，結(jié)果說明評(píng)價(jià)方法可行，且系統(tǒng)性能是臨床使用效果的客觀表達(dá)，應(yīng)重點(diǎn)考量。本文的實(shí)驗(yàn)方案也將為醫(yī)用機(jī)器人性能評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)化提供參考依據(jù)。