眼科机器人的发展及相关技术

1、眼科手术机器人的发展及相关技术xxx（专业：，学号：，email:，手机：）摘 要：目前，国内外关于机器人手术的研究有很多，但具体到眼科机器人方面就相对很少，主要是有由于眼科手术机器人要求的精度特别高，以及工作在一个受限的，脆弱的区域。本文主要介绍了眼科机器人的发展状况，目前遇到的困难以及展望了未来的发展方向。另外对研究眼科机器人所涉及的机器人结构设计、微力感知与控制、眼组织生物力学建模、约束空间运动规划、精密运动控制等相关技术进行了分析。关键词：眼科手术；机器人；远程运动中心点；达芬奇手术机器人；六足手术机器人the development of the ophthalmology robo

2、tic surgery and relatedtechniques（major：, student no.：, email: , phone: ）abstract: .at present,there are much research about the robotic surgery.however,when come to ophthalmology,it is relative little.mainly due to high degree of accuracy the robot required,and it works in a confined delicate area.

3、this paper mainly introduce the development of ophthalmology robotic surgery,the current dilemma and prospect development in the future.in addition,analysis the related techniques as robot prototype design,micro-force sense and control,biomechanics modeling of ocular tissue,constrained space motion

4、plan and precision motion control.keywords: ophthalmology surgery; robot; da vinci surgery robot;hexapod surgical system 1 引言（introduction）眼科手术主要是指与眼睛相关的手术，比如角膜移植术、玻璃体切割术、视网膜手术等。它是一种显微手术，要求在像眼球内部一样的一个很小的受限的区域中操作仪器时有着极好的精确的动作，这对医生的技术水平有很高的要求。目前在眼科手术尤其是眼内手术操作中主要面临以下几个问题： 手术分辨率及操作精细度要求高； 器械通过巩膜刺入点进行操作的

5、手术空间小； 手术操作环境的可视性差； 由于医生手工操作过程中生理上的颤抖，手术时间长，手术成功率低。因此，利用机器人运动精度高、稳定性好的特点辅助或代替医生进行手术，可以很好地解决以上问题1。普通眼科手术通常是医生在一个高倍放大的，三维视角的医疗显微镜下进行的，它要求医生操作纤细的手持仪器时具有十分精确的动作。它的过程比较简单，主要是依赖于外科医生的操作，如图1（a）所示。而机器人手术带来的优点决定了它的过程比较复杂，如图1（b）所示。外科医生病人手术仪器手术显微镜图1a图1bfigure1:feedback loop during standard ophthalmic surgery b

6、.feedback loop during robotic-assisted ophthalmic surgery2 眼科手术机器人的发展（the development of ophthalmic surgery robot）2.1先前的机器人辅助手术研究先前的研究中，大部分领域的创新都集中在完成单个的任务或者是协助技术上比较难的部分。其中一个最早的例子就是20世纪80年代末期由法国研究者发明的微操作器（micro-manipulator)。该装置是最早的尝试应用远程运动中心机构（remote center of motion，rcm）的之一。立体定向显微遥操作的眼部手术系统（stereot

7、axical micro-telemanipulator for ocular surgery，s.m.o.s）可以沿rcm有4自由度（degree of freedom，dof）的运动，包括平移和转动，在手中中，它是一个允许三维运动的载体。在花费大量手术时间的同时，他能够带来很精准的运动2。在接下来10年里，其他几个小组发展了能够在动物体上进行微手术的原型，这些手术包括视网膜血管插管，引流装置植入术，血管内药物输送和微血管的压力测量【3】。日本的合作者在基于s.m.o.s平台的基础上创造了一种原型机器人系统，它被设计用来辅助玻璃体视网膜手术中多个步骤。这种辅助机器人提高了5到10倍的精度。并

8、且系统在精度上消除了跨操作者时的变化，这种精度上的变化在自动操作的相似任务中能见到。这些改进成功的促使了手术中后玻璃体的分离，使用25号微剪完成视网膜血管鞘切开术和在猪眼睛里完成直径100微米的视网膜血管里的操作。约翰霍普金斯大学的研究人员开发了一种应用于视网膜显微手术的稳定手操作器（steady-hand manipulator，shm）。这个装置包含了倾斜臂和能在xyz平面上转动的机构。这些装置是附于力/力矩传感器，通过软件的比例调节，可以使仪器沿着外科医生的操作的方向移动。这种设计把rcm置于巩膜上以最小化眼球上不必要的应力。shm也可以消除操作的颤抖。这个研究小组的进一步创新在于同步术

9、中视网膜记录和术前印象以引导治疗。这和micro一样令人印象深刻。micro是一种能在保持眼手协调的同时降低以为意外的震颤的显微手术仪器。外科医生在三次简单的显微放置测试中就降低了52%的错误率。对于更为灵巧的操作，来自哥伦比亚大学的研究小组最近提出了一种理论上的复合臂混合机器人系统和一个16自由度的利用位于眼镜内部的手术工具的系统。其他的研究人员也提出了具有微创装置的眼内机器人来提供高精度的玻璃体植入，这可以治疗黄斑变性。使用外径不超过500微米的微机器人，作者可以借助无线电磁控制定位猪眼睛内部的药物存储位置。2.2现在的困境：完整的程序在过去，眼科机器人系统都是集中于单一的任务，通常这些都

10、是特别的熟练。尽管很多这样的研究仍在进行中，但是研究人员更多的兴趣在于设计出一种设备能够完成整个外科手术程序，能够提高速度和效率而不失精度。要达到这样的要求需要有足够的运动空间，同步的手术仪器操作，并且具有术中换仪器的能力。在2000被美国食物与药品总局批准的达芬奇手术系统【4】（the da vinci surgical system）在刚开始使用的4年里就增加了15倍的通用机器人手术过程的数量。这个系统包含三个部分：外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统。床旁机械臂系统(patient cart)是外科手术机器人的操作部件，其主要功能是为器械臂和摄像臂提供支撑。助手医生在无菌区内的床旁机

11、械臂系统边工作，负责更换器械和内窥镜，协助主刀医生完成手术。为了确保患者安全，助手医生比主刀医生对于床旁机械臂系统的运动具有更高优先控制权，如图2a所示。主刀医生坐在控制台中，位于手术室无菌区之外，使用双手(通过操作两个主控制器)及脚(通过脚踏板)来控制器械和一个三维高清内窥镜。正如在立体目镜中看到的那样，手术器械尖端与外科医生的双手同步运动，如图2b所示。成像系统(video cart)内装有外科手术机器人的核心处理器以及图象处理设备，在手术过程中位于无菌区外，可由巡回护士操作，并可放置各类辅助手术设备。外科手术机器人的内窥镜为高分辨率三维(3d)镜头，对手术视野具有10倍以上的放大倍数，能

12、为主刀医生带来患者体腔内三维立体高清影像，使主刀医生较普通腹腔镜手术更能把握操作距离，更能辨认解剖结构，提升了手术精确度。图2眼科手术中的达芬奇手术系统a. 一个中心臂握住内窥镜，两个侧臂握着手术仪器b. 操作者可以在控制台上关于手术场地的三维的视角并且控制手术的操作c. 插入修改过的25号玻璃体切片并用机器人手臂实现后部反光照相法figure 2: the da vinci surgical system for ophthalmic microsurgery. a. one central arm holds the endoscope; two side arms (green and

13、yellow stripes) hold surgical instruments. b. the operator obtains a three-dimensional view of the surgical field and accesses the controls at the console.c. insertion of the modified 25-gauge vitreous cutter and endoilluminator with the robotic arms.图3：达芬奇手术平台（黑箭头）集成六足手术机器人（hss），创造了一个微观-宏观机器人系统。当远程

14、发送命令时，六个线性执行器会相应的改变长度以控制由hss臂持有的玻璃体探针（白箭头）。 在眼科手术中这个主要是用来缝合修复角膜的撕裂、完成连续的白内障手术中晶状体前囊的撕离和猪眼的玻璃体切除5。注意到，达芬奇手术系统有几个限制。机器人的手臂不能够完全复制人手的动作，这就使得白内障手术中撕囊术不能进行的很完美。另外，rcm与仪器的尖端之间的5cm距离，限制了仪器的动作，并且会给外眼球表面带来过度的压力。内窥镜缺乏后部反光照相法的能力并且其位置抑制了玻璃体凝胶的去除。为了克服这些困难，研究人员定制了眼科手术达芬奇系统。通过给达芬奇手术系统增加一个微型机器人，六足手术机器人系统（hexapod su

15、rgical system，hss），这样眼睛穿透点的远程运动中心rcm就可以实现（图3）。通过成功的把玻璃体切开器穿过巩膜放入猪眼睛里6，这一方法的精度和灵敏度得到了验证。另外一种改进，称之为“微手”，它是用mems技术制成的。设计这种设备用来模仿人手，并且是气动控制的，可以允许抓去力的滴定。四个手指，每个手指4mm长（图4b）。它被用来操作卡尺来测量重量和在60psi的压缩空气下操作新鲜的猪眼睛视网膜组织7。图4：眼科手术中“微手”。a：每个手指在逐渐增加的压力下关闭，在超过65psi，抓取力就形成了b：两个相对的手指能够提起视网膜figure 4: the “microhand” for

16、 ophthalmic microsurgery 17. a. each micro finger progressively closes under increasing air pressure. at above 65 psi, a grasping force is created. b. two opposing fingers (black stripes) are able to lift retina when closed pneumatically (white arrows).图3：达芬奇手术平台（黑箭头）集成六足手术机器人（hss），创造了一个微观-宏观机器人系统。当

17、远程发送命令时，六个线性执行器会相应的改变长度以控制由hss臂持有的玻璃体探针（白箭头）。figure 3: the hexapod surgical system (hss) integrates with the da vinci platform (black arrow) to create a micro-macro robotic system. six linear actuators change length when remotely commanded, allowing control of a vitrectomy probe held by the hss arms

18、 (white arrow) .图3：达芬奇手术平台（黑箭头）集成六足手术机器人（hss），创造了一个微观-宏观机器人系统。当远程发送命令时，六个线性执行器会相应的改变长度以控制由hss臂持有的玻璃体探针（白箭头）。眼内机器人介入手术系统（the intraocular robotic interventional surgical system,iriss）,它是由jules stein眼科研究所和ucla机械和航空航天工程系共同努力的结果。它是一个精巧的显微手术操作平台，可以做完整的眼科手术程序。这种主从式设计表明它有遥远的控制台，与达芬奇系统和rhas（eye robot for hap

19、tically assisted surgery）相似。iriss的设计包括一个头盔式的“真实视觉”立体可视化系统，两个操作杆，能够滤除震颤和运动缩放，定制设计的手臂，大小差不多能容纳市售的仪器，和两个很近的远程运动中心rcm以避免对周围组织的压力（图5）。在正在进行的早期的实验，在猪眼睛上的验证主要集中于三个复杂的眼内程序：白内障手术中的晶状体撕囊，玻璃体切除和视网膜血管微套管插入。图5，眼内机器人接入手术系统（iriss）。a. 动画等距视图 b.实验布置figure 5: the intraocular robotic interventional surgical system (ir

20、iss). a. animated isometric view. b. experimental setup.2.3 未来的机器人辅助眼科手术：自动化和集成在过去几年里，眼科成像方式，如光学相干断层扫描（oct）和超生生物显微镜（ubm）在术中和术前都增强了医生定位病理的能力。同时，飞秒激光设备在伤口的恢复，撕囊创造，和在白内障手术中核的破裂上已经做的最好了。在玻璃体视网膜上机器人系统上集成oct已经有研究人员提出来了8，另外加上激光技术可以促进治疗白内障手术的自动化。激光屈光手术，如准分子激光原位角膜磨镶术（lasik），已经近乎完全的自动化了，很少需要医生的术中操作。对于相对不是很标准的

21、程序，比如玻璃体视网膜视网膜手术，扩大机器人的使用能够从根本上提高效率，放大幅度以允许困难手术的完成（视网膜中药物或干细胞的输送），通过降低震颤减少并发症和提高精度，还能允许医生远程做手术。在眼科机器人成为临床上现实之前还有几个障碍。高成本，陡峭的学习曲线，病人的信任都代表了挑战。这些阻碍和当初微创腹腔镜手术的支持者遇到的很相似，而如今，这项技术已经被广泛认可。超过20年的证据表明机器人设备能够提高医疗护理的质量，并且这个领域的研究应该进行下去。3 相关技术（related technology）眼科显微手术机器人的研究涉及众多领域的知识，其关键技术主要融合了以下几个方面。3.1 眼科机器人的

22、机构设计工欲善其事，必先利其器。为了实现高难度的精细手术操作，所设计的机器人机构必须能够实现精巧灵活的动作。眼科机器人的机构设计主要包括机器人本体及末端操作器两个方面，机器人本体包括机械手臂和手腕，实现位置调整和姿态调整，末端操作器完成特定的手术任务和精密定位。 3.1.1 机器人本体构型机器人本体采用何种构型，主要取决于手术任务的具体需求。如在角膜移植手术中，为了完成钻切病变角膜、角膜植片缝合与缝线打结的手术任务，北京航空航天大学研究者选用多关节型以及直角坐标型与关节型相结合的机器人构型，使机器人获得了足够大的工作空间；为了实现高精度 20 130 m的定位操作，美国西北大学的研究人员采用了

23、并联六杆机构，完成了采集猫眼球视网膜血液样本的手术任务；而在眼内微创手术中，手术器械需从巩膜刺入点插入病人眼球内，围绕该点运动来实施手术操作。研究学者称这一旋转点为 rcm 或不动点。rcm 的实现是眼内手术辅助机器人本体构型的关键问题。locke 等人9总结出 3 种产生 rcm 的方法： 采用机械约束下的运动机构来实现(da vinci 机器人)，这种机构刚度高，安全性好，但较为庞大，适应性差； 被动式 rcm(aesop 机器人)，平行四边形机构的设计使其安全性得到了保证，但却降低了运动精度和刚度； 主动式 rcm，由机器人通过软件算法来实现，这种方式的可靠性较低。然而，由于在保证高刚度

24、的同时降低了成本，此方式在安全需求不高的场合具有很大的优势。综合以上三种方法来看，方法实现起来最为容易，安全性最好。3.1.2 末端操作器末端操作器包括末端执行器与末端手术器械操作器。 末端执行器属于新型手术工具，能够取代传统手术工具完成更加精巧的手术操作。在北京航空航天大学开发的角膜移植手术机器人中，末端执行器包括末端环钻(图 6a)、缝针夹持器(图 6b)与缝线夹持器(图 6c)，直接用来完成如钻切、夹持缝针进行角膜缝合、夹持缝线进行打结的手术操作。在国外，ishii【10】等开发了双螺旋驱动弯折机构手术操作镊(图 6d)，可实现器械两个方向的弯折。miyata 等针对神经外科手术设计制作

25、了手术操作镊(图6e)，其弯折动作通过圆柱凸轮机构来实现，前后动作通过齿轮齿条实现，镊子的开合采用线驱动方式。针对眼内手术，ikuta 等设计了一种手持式手术镊，该手术镊带有一个主动关节和光纤视镜，提供了较高的眼内灵活度和可视化效果，可以弥补眼内手术缺乏灵活性的不足。图6，末端执行器figure6,end actuator末端手术器械操作器通过操纵专用的眼内手术器械(比如眼内镊、持针器、吸管、微剪刀等)，实现模拟医生双手并使精度与灵巧度大幅提高的精细手术操作。不同的手术任务与不同的手术器械要求末端操作器具有不同的功能。如在眼内手术中，眼内镊操作器需要具有 5 自由度(图 7)：镊子绕自身轴线的

26、转动、沿刺入方向的前后移动、绕刺入点的两个弯折动作及器械头部的开合动作。图7，眼内镊的自由度figure7,the dof of the ophthalmic forceps在相关的研究中，suzuki【11】等采用摩擦轮和万向节机构设计了针对腹腔镜手术的4自由度手术镊操作器(图 8a)。schena 等针对微创手术，开发了带有紧凑性驱动的能够实现远程运动中心的手术器械操作器(图8b)，该操作器采用轴驱动加双平行丝杠机构，但锥齿轮传动有齿侧间隙，影响传动精度。图8，末端手术器械操作器figure8,end effectors眼睛是人体的精密器官，末端操作器的操作精度是影响手术效果的重要因素。结

27、合机器人本体如何设计满足自由度需求与精度要求的末端操作器是设计人员面临的重要挑战。3.2 微力感知与控制眼科显微手术涉及到薄壁与血管的复杂操作，手术工具与组织的接触力绝大部分已经超出医生手工操作的感知能力，医生在手术过程中绝大部分程度上依靠视觉信息进行操作，影响了手术效果。因此，微力检测与控制也是显微眼科手术机器人的研究热点之一。在眼外板层角膜移植手术中，胡一达等【12】通过自主研制开发的末端环钻钻切角膜，对钻切力进行了测量(均值 670 mn)，这一力感知信息显著地提高了机器人完成角膜钻切操作的准确性；随后，yang等设计了配有六维力传感器 nano17 的缝针夹持器，夹持缝针进行角膜缝合操

28、作，进一步测量了角膜缝合过程中缝针从角膜表面穿破刺入点的刺入力(均值 209 mn)与缝针从角膜组织内穿破刺出点的刺出力(均值2019 mn)，研究发现机器人缝合力数据曲线的平滑性优于人工缝合的情况。因此，角膜移植手术机器人中引入力传感器监测力信息，可以提高手术操作的精度。在眼内显微外科手术中，大部分手术作用力都低于7.5 mn，而医生所能感知出的只占其中的1/5。berkelman 等23在外科手术中应用末端微力传感器，协同控制机器人与器械以及生物组织与器械之间的作用力。为了解决由于力传感器体积过于庞大而无法整合到眼内手术器械中的问题，sun等24在手术器械轴内引入 160 m的光纤光栅力传

29、感器检测手术器械末端的力。机器人微力控制上可以采用阻抗控制、混合控制、自适应力控制和显式力控制等各种方法。混合控制方法通过控制末端执行器在力子空间和位置子空间来实现顺应控制；阻抗控制是靠调节末端执行器的位置和接触力之间的动态关系来实现顺应控制，对扰动和不确定性因素有很好的鲁棒性，但难于获得末端执行器的参考轨迹和环境的位置、刚度。由于适用环境、约束条件和模型建立等方面的差异，微力环境下眼科机器人刚性末端操作器与柔性眼球软组织之间接触力的控制问题仍待解决。3.3 眼球组织的生物力学建模技术对于精密的眼组织来说，机器人操作稍有不当就会伤害到病人的眼睛。为了避免此类医疗事故的发生，有必要在机器人实施手

30、术之前首先利用计算机进行眼科手术作业的力学建模，建立眼组织(包括角膜、巩膜、视网膜及其显微血管等)的动态生物力学特性的等效数字化模型。通过手术过程的力学建模和计算机仿真，可以得到眼组织内部的力学信息，保证手术过程的安全可靠。为了完成眼外板层角膜移植手术，轩新想等通过微力材料试验机对角膜的生物力学特性进行了一系列测试试验，其中包括测试角膜特性的单向拉伸试验和应力松弛试验；缝针刺入角膜的微小力测量试验；切割和挤压眼球试验等。这些试验得到的数据为建立角膜材料力学特性的本构模型和缝针刺入角膜的数学模型提供了重要依据。为了完成如视网膜手术等眼内手术，需研究巩膜及视网膜血管的生物力学特性，建立相应的3d模

31、型，构建眼内约束条件。靳韬等对巩膜的生物力学特性进行了研究，发现巩膜具有黏弹性及流变性，并有相当高的蠕变率。curtin 等研究发现，在同等应力的作用下，前部巩膜的变形最小，赤道部的次之，后部巩膜变形最大。牛希娴等建立了基于人工神经网络、试验数据及数学算法的视网膜模型。calvo 等提出了一种针对眼底图像中视网膜血管的分支及交叉的自动检测方法，为治疗视网膜血管阻塞提供了理论基础。3.4 约束空间规划技术针对复杂的眼内手术，需考虑包括刺入点约束、眼内手术环境的约束、机器人机构的约束及由特定手术任务的要求所引入的约束，这些项目组合起来构成了眼内手术的约束空间。为了在刺入点约束和眼内壁组织的约束环境

32、下实现机器人的灵巧操作，需要进行约束运动规划和控制。最早的空间约束运动规划问题的研究源于funda 等将基于刺入点的机器人运动控制问题归结为约束二次规划问题。为了进行路径规划和控制，实现 rcm 的可变性，一些学者提出了虚拟固定器的概念。li等针对约束环境下器械的运动边界，构建了一种闭环控制器，通过虚拟固定器的概念实现了器械的自由运动和引导模式，同时将机器人关节的运动极限、运动误差、器械的运动约束、器官组织作为环境约束进行建模及优化设计，并以鼻外科手术为例进行了试验研究。kapoor 等提出了约束环境下构造器械虚拟固定器的方法，并应用双臂机器人进行打结作业，对所提出的规划方法进行了验证。具体在

33、视网膜手术中，手术器械在受到巩膜刺入点约束的前提下，首先需要在眼内空间的约束下完成视网膜表面的复杂运动，同时还要考虑多个手术器械之间的运动干涉。为了准确跟踪在约束条件下的预期路径，就需要进行多操作器的约束运动 规划。 3.5 精密运动控制技术眼科显微手术辅助机器人运动范围小(毫米级)、定位精度高(微米级)。由于机器人关节驱动中电动机死区、机械摩擦力、间隙与机械臂运动震颤等非线性因素的影响，导致运动实时性和末端操作器的定位精度很难达到实际操作要求。机器人关节驱动电动机闭环伺服精度和动态特性决定了其运动实时性和定位精度。在闭环控制中，仅用传统的 pid控制器已很难满足非线性复杂对象的控制要求。因此

34、，在显微眼科辅助机器人研究领域，为了达到高精度的定位要求，很多现代伺服控制理论都得到了广泛应用和实践。在现代伺服控制方法中，基于参考模型的自适应控制算法速度快且易于实现，但由于传统的自适应控制方法是基于数学模型的方法，对于复杂非线性对象难以建立有效的参考模型，使得这种控制方法没有用武之地。智能控制中如模糊控制、神经网络等方法同样是伺服控制中应用较广泛的方法，能够解决模型不确定、非线性控制及其他较复杂的问题。但模糊控制的控制规则需要依靠操作人员的经验，而尽管神经网络控制对模型的依赖很小，但收敛时间较长，不能满足眼科辅助机器人实时控制的要求。变结构控制方法是一种特殊的非线性反馈控制系统。预测变结构

35、控制就是为了从根本上消除滑模变结构控制方法中的抖振而提出的一种不含滑动面的变结构控制方法【13】。这种方法保持了滑模变结构控制算法简单且鲁棒性好的优点，但该方法条件判断较多，高频性能不佳。综上，在眼科显微辅助手术机器人的精密定位控制中，仍然没有很好的控制方法可以补偿非线性因素的影响，而解决的途径之一就是将非线性系统反馈线性化，用已有的线性控制方法进行综合。 5结论（conclusion）近年来，随着达芬奇外科手术系统、六足机器人系统、显微机械手、手术传感器等的应用与改进，机器人辅助眼科手术得到了飞速的发展。眼科手术辅助机器人的引入给医生带来了很多便利条件：提高了操作精度，增大了器械运动范围，消

36、除了颤抖，使原来不可能实施的眼内手术成为可能，增强了手术结果的可预测性，提高了手术成功率。尽管如此,将眼科机器人广泛应用于临床仍然任重而道远。因此，进一步开展有关机器人机构、微力感知与控制、眼球组织的生物力学建模、约束空间运动规划、精密运动控制等关键技术方面的研究，可以为眼科机器人的开发提供理论基础，在为广大眼疾患者带来福音的同时，又可以为典型微创手术辅助机器人的研究提供参考。参 考 文 献 (references)1 肖晶晶,杨洋，李大寨，等。眼科显微手术机器人研究进展及其关键技术分析j。机械工程学报，2013，49（1） ：15-22。2 guerrouad a,vidal p (1989

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38、rosurgery in the retina. graefes arch clin exp ophthalmol 235: 696-701.4 tsirbas a, mango c, dutson e (2007) robotic ocular surgery. br j ophthalmol 91: 18-21.5 bourla dh, hubschman jp, culjat m, tsirbas a, gupta a, et al. (2008) feasibility study of intraocular robotic surgery with the da vinci surgical system. retina 28: 154-1586 bourges jl, hubschman jp, wilson j, prince s, tsao tc, et al. (2011) assessment of a hexapod surgica