一种新型的双力传感器和协作机器人助手在玻璃体视网膜手术中的应用

一种新型的双力传感器和协作机器人助手在玻璃体视网膜手术中的应用1.介绍 2.双力传感器3.有着力反响的协作机器人助理4.实验和结果5.讨论与结论摘要这篇论文主要讨论了基于光纤布拉格光栅〔FBG〕的一种新型的力传感器的开展。它不仅可以检测出位于眼睛内部的手术器械的尖端的力，也可以提供器械与巩膜相互作用力的信息。另外，这篇文章呈现了在有着巩膜限制和声学反响的人体模型上辅助剥落视网膜的模拟机器人和传感器的分析与设计1.介绍

玻璃体视网膜手术是最具科技含量的显微手术之一，因为它要求在一个像眼球内部一样很小的受限的工作区域中，操作脆弱的组织时有着极好的精确的动作。一个典型的手术任务就是剥离视网膜前膜。这个手术中，外科医生用一个小型的带有微手术钳的仪器穿过巩膜套管并细心的把半透明的膜从视网膜上剥离。guapa等人在猪的尸体上进行研究发现，在所有测量过的力当中有75%的力是低于7.5mN的，而以这个力发生的动作只有29%能被医生感知到。此外，手术的表现还会受限于手的生理震颤、疲劳、差的肌肉运动知觉反响、病人的动作主从遥控式机器人系统这种主从配置的机器人加上运动缩放可以得到较为精确的控制，但是缺点是复杂的系统和高昂的本钱MICRO：能在动态中保持稳定的设备，它能驱动仪器的尖部，从而防止了用户手的颤抖。它提供了一个直观的界面和内在的1：1的力反响来提高操作精度。但是，由此带来的是没有放大在手术过程中施加的人所觉察不到的力。作者的方法需要人手操作的协作控制式系统，这种情况下医生和机器人都持有手术器材。医生施加在手术器材上的力会引导机器人配合人的动作机器人的刚度保证了稳定性，也减弱了震颤。结合了机器的精确性和灵活性。这种机器人还能增加额外的传感器以增强对环境的感知能力我们开展了一组传感器，这其中包括装在仪器轴末端的光纤传感器，它能够直接测量工具和组织之间的相互作用力，并且能区分施加在仪器尖端的力和巩膜的相互作用力。前面的研究已经证明基于力传感器的听觉和触觉的反响能够有效的提高所施加力的一致性并可以调节所施加力在一个期望的范围。这些双力算法被包含进了协作控制算法来提供听觉和视觉的反响。在这篇文章中，我们研究了基于双力测量的力反响的有效性，并把它和之前的控制方法做了比较，初步的结论是新的双力传感器配上不同的类型的力反响方法能进一步提高协作机器人助手在玻璃体视网膜手术的表现。2.双力传感器FBG〔光纤布拉格光栅〕，尺寸小、高灵敏度、低本钱、可消毒性、生物适应性好、并且不会收到静电和电磁的干扰仪器的轴是一条直径只有0.5mm的钛线。为了集成FBG传感器，三个正方形截面的通道〔0.16*0.16mm〕被沿纵向加工到轴上。这种传感器沿着仪器的轴包含两个力传感单元。每一个都能测量垂直于轴的横向力。每个FBG传感器都有两个长5mm的FBG段，其中一个〔尖FBG〕距离仪器尖端的距离是5mm，它的中心布拉格波长是1535nm，另外一个是〔巩膜FBG〕距离仪器顶端32mm处，它的中心布拉格波长是1555nm。A.设计FBG传感器的局部应力与施加的力〔力矩〕成比例。FBG传感器中布拉格波长的变化与局部应力和温度的变化成比例。传感器读数与施加的力之间有着线性关系。尖FBG传感器只能测量仪器尖端的力。巩膜FBG传感器对尖端力和巩膜力都会产生反响。B.力的计算注意到，在仪器与组织相互作用力被不断施加于尖部时，由于仪器插入眼部的长度不同，仪器接触巩膜产生的力会沿仪器轴分布在不同的位置。这是很重要的，因为如果这个接触点不确定，巩膜力传感器就不能准确的测量施加于巩膜的实际力的大小。这与外科医生使用手持仪器感知巩膜力是一样的——只感知仪器手柄的产生的力矩而不是实际作用与巩膜的力。另外当医生在眼球上操作时，仪器在眼睛内的长度只在很小的范围内变化。比方说，沿着视网膜的前端13mm的弧形路径，只会产生1mm的轴向位移。C.讨论3.协作机器人的力反响我们把双力传感集成到稳定手眼科机器人协作控制算法里。这里提出的力反响控制算法是对仪器尖端力应用听觉反响，对巩膜力应用触觉反响。因为医生在徒手模式里可以采用手持设备来感知巩膜力，机器人设置里的对巩膜力的触觉反响能为外科医生提供更为直观的感受。A.力到听觉的替代它是在一个四力水平区域调节声音“beep”的节奏，对于小于1mN的力，它不会发声，缓慢连续的声音说明是1到3.5mN的“平安区”，节奏稍微快的声音说明是3.5到7mN的"警惕区"，节奏非常快的说明是大于7mN的“危险区”。B.力的缩放我们使用力的缩放来为巩膜力提供触觉反响，这样医生就能像在徒手模式使用使用手持仪器一样去感知巩膜力4.实验和结论先前的2自由度传感器已经说明在测量横向力方面有很好的线性，因此在横向力的两个主轴〔X，Y〕方向上调节仪器就足够了。根本的方法是对仪器施加的横向力来测量每个FBG传感器的布拉格波长的改变。主要分两步：首先在仪器尖端处施加一个20mN的横向力再者，在距离仪器尖端25mm处施加一个100mN的横向力A.传感器的标定B.膜剥落实验和力反响1〕模型和实验的布置Balicki等人发现19mm的ClearBandage的粘性标签能提供类似视网膜组织操作时的剥离力，并具有很好的可重复性。另外，使用25mm高，50mm宽的丙烯酸固定物来拉紧橡胶圈以模拟单向巩膜限制。我们比较了徒手操作、没有力缩放的机器人助手、有基于巩膜力缩放的机器人助手的三种操作模式。对每种情况，对象都会先进行10组预实验，再进行10组实际的实验。2〕结果与先前的研究一致，在所有的情况下，听觉反响能调节仪器尖端的力在一个理想的阈值。5.讨论与结论在这篇文章中，我们提出了一种新型的应用于玻璃体视网膜手术的双力传感器，它能够测量仪器尖端与组织的相互作用力，也能够测量在巩膜进入点的相互作用力。标定过程说明它具有良好的线性。这种传感器结合机器人助手可以提供人类感知不到的视网膜操作力