力触觉反馈技术在脊柱外科手术机器人中的应用研究

于海洋

摘要：微创手术机器人应用在脊柱外科，不仅能提高手术的精度，降低手术中对微血管和神经的损伤风险，更避免医务工作者长时间受辐射的危害。但与传统手术相比，机器人辅助手术却使医务工作者丧失了与患者组织之间接触时产生的交互作用力信息，在脊柱外科手术过程中难以确保定位针、椎弓根钉等器械进入病灶极其准确，不损伤骨髓神经或者将脊柱骨穿透。文中从脊柱外科手术机器人手术特点、以及力反馈在脊柱外科中的必要性等方面，对力触觉反馈应用在脊柱外科手术机器人的实现方法进行研究。在汇总以前研究的基础上，对相关研究做了展望。

关键词：脊柱微创；力检测技术；力触觉反馈

中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）11-0055-02

1 引言

当今世界，在生活水平不断提高的同时，工作压力也逐渐增大。久坐、久卧以及长时间伏案工作引起许多骨科疾病，例如脊柱形变、腰椎管狭窄等。我国每年有几十万例的脊柱外科手术，仅吉林大学第一医院每年该类手术就超过3000例，现骨科医务工作者对脊柱外科手术机器人的需求也日益迫切。

在外科手术中，力觉发挥着重要的作用，可以为医生提供组织刚度、肿瘤位置等信息，防止医生用力过度对正常的组织造成损害，在进行一些精细操作时可令医生施加合适的作用力。然而，现有可遥操作的机器人系统，多使用按键或控制面板控制机器人，改变了医生的操作习惯；力反馈的缺失是一个非常大的缺陷，操作者只能通过视觉反馈进行手术，增大手术的危险性；因此，用力反馈设备代替控制面板或按键实现操作者与远程机器人之间的力觉信息交互，采用手术触觉的方式，将机械手手术过程中置刀的手感反馈给操作者，让术者在控制端有如临现场亲自动刀的手感觉，可极大的提高操作的准确度和可靠性。

2 手术触觉反馈系统

脊柱外科手术遥操作机器人一般分为手术室内和室外两个部分，室内部分包括机械手主体和其电子驱动控制系统、手术现场视觉图像采集系统、手术触觉反馈系统；室外部分主要包括机械手控制手柄、控制终端；手术室内、室外之间的信息传递采用无线传输的方式实现。

手术力反馈控制系统，手术操作过程中，采用机械手手术时，要实时获取椎弓根刀的准确位置，手术触觉反馈系统是将操作末端的运动、位置以及姿态等数据信息实时而准确地发送至核心处理器，并将数据通过显示系统和控制系统反馈给医生，使之获得到真实地手术操作体验，保证机械手操作安全可靠。

3 实现力触觉反馈的关键技术

3.1 力和力矩反馈

力和力矩反馈系统中的传感器主要由力和力矩传感器组成。使用高精度力和力矩传感器对机械系统前端术中所获得的反馈力和反馈力矩进行采集，再经过高精度D/A转换器转换成数字信号，经过通信系统，送回控制系统。使操作者能够实时、客观地了解手术针在患者体内运动情况。由于脊柱中椎体、棘突、横突和椎孔各个部位的骨密度具有差异性，所以通过传感器对手术针运动过程中所遇到的阻力信号进行采集，经过PID算法对ΔF进行监控。当ΔF出现变化时，即有可能是手术针碰触椎弓根内外壁的结果，此时系统会通过通信系统对操作者提出警示。

应变片因体积小、防水性好、可实现多自由度测量等原因成为广泛的力检测方式。应变片通常贴在一块弹性体上来达到较好的测量精度，其测量效果取决于弹性体的变形程度，将应变片接入电阻电桥。当受到外力作用时，弹性体随之产生应变，应变片的电阻和电桥的电压也随之发生变化，因而通过检测电阻电桥输出电压的变化就可以将外力检测出来。检测元件的选择与位置不知不仅要确保脊柱外科手术所需的高测量精度，还要满足手术器械需高温消毒等条件。为提高数据处理的准确性，还要对传感器获取的数据进行滤波、传感器标定和传感器重力补偿等处理，测得最真实的力信息，才能进一步反馈至主手执行器端，给操作者以最佳的力觉临场感。

3.2 基于生物阻抗的反馈系统

生物阻抗等效电路模型和生物组织内单个细胞的等效电路模型如图1所示。

其中是细胞外液的电阻，是细胞外液并联电容，是细胞膜的电阻，是细胞膜的并联电容，是细胞内液的电阻，是细胞内液的并联电容"在低频范围内（低于1MHz），细胞膜的漏电阻很大，可视为开路，而内外液的并联电容和很小，也可视为开路。对于整个生物组织而言，由于生物组织是由大量的细胞组成，可视为许多细胞的集合，因此生物组织的电路模型也可用图中所示的电路等效，只是此时的，，已不再是代表某个细胞内、外液电阻和细胞膜电容，而是代表整个生物组织的等效内、外液电阻和膜电容，这就是所谓的三元件生物阻抗模型。

椎弓根螺钉置入过程中最关键的步骤在于使用椎弓根开路器（又名椎弓根探子或椎弓根开孔器）在椎骨骨质上开出一个通道作为椎弓根螺钉的钉道，该过程直接决定了椎弓根螺钉置入的准确性，常规使用的椎弓根开路器是由金属材料制成，可以作为探测电极使用，但是该器械只能构成电流回路的一极，另外一极必须放置在其他部位。以手术中必用的椎弓根开路器作为原型，依据临床上对椎弓根开路器的生物力学强度要求，结合生物电阻抗测量要求，对临床上常用的椎体成形器械进行改造，设计制作带有双电极结构的椎弓根开路器。通过电极施加不同频率的信号，通过计算阻抗可以判断出手术针在脊椎骨间位置，将位置信号反馈给操作者，有助于操作者更加准确地完成手术。

4 研究现状及结论

脊柱微创手术机器人，是先进医疗技术与自动化技术的融合，现今比较成熟的脊柱机器人有以色列研制的Renaissance，法国研制的ROSA，中国北京积水潭医院研制的Tirobot。韩国还在实验研究阶段的SOINEBOT，CORA，德国的 LWR。中科院沈阳自动化所和第三军医大学新桥医院联合研制的脊柱微创手术机器人系统及中科院深圳先进技术研究院等多家科研单位的多名研究人员合作研制的 RSSS（robotic spinal surgical system），脊柱微创手术机器人系统集成和可视等技术研究方面已经取得了较大的进步，但是在力触觉反馈技术方面，还没有取得实质的进展。本文对脊柱外科手术机器人可实现力触觉反馈的方法进行了研究和分析，作者相信，随着国家的快速发展和科研人员的不懈努力，力触觉反馈技术在不久的将来会取得突破的进展。

参考文献

[1]郑海华.白领一族，小心脊椎病.温州人，2010，21（12）：34-36.

[2]付宜利，李坤，潘博，詹军成，王树国.微创手术机器人力检测与力反馈技术研究现状[J].机器人，2014，36（1）：117-125.

[3]李巧真，李刚，韩钦泽.电阻应變片的实验与应用[J].实验室研究与探索，2011，30（04）：134-137.

[4]李彦青.基于虚拟夹具的机器人遥操作运动导航与力反馈技术研究[D].浙江大学，2011，27-30.

Abstract：Minimally invasive surgical robot can not only improve the precision of surgery， reduce the risk of nerve damage， but also prevent the long-term radiation exposure of medical workers in spinal surgery. However，the lack of intra-operative haptic feedback can increase the risk of the positioning needle， pedicle screws and other instruments enter the lesion accurately. In this article，haptic feedback system was reviewed from the characteristics of surgical operation， and the necessity of force feedback in spinal surgery. At last， the future research direction was suggested on the basis of the previous studies.

Key Words：minimally invasive spine surgery； force sensing technology ； haptic feedback；