將由CompactRIO硬件平臺控制的高精度機器人設備用于腦瘤手術(shù)

　　挑戰：創(chuàng )建一個(gè)高精度的監督和控制系統，該系統能夠在微創(chuàng )神經(jīng)外科中，安全地移動(dòng)機器人。

　　解決方案：使用NI CompactRIO平臺開(kāi)發(fā)一個(gè)安全的、統更合理、更靈活且更可靠的高性能機器人控制系統。

　　“由于CompactRIO硬件平臺及其靈活的編程環(huán)境，目前的解決方案比原來(lái)的原型設計更合理，可靠和有效率。”

　　機器人設備應用于醫療行業(yè)已有40多年，目前研究人員仍然在不斷致力于開(kāi)發(fā)出更加有效、安全的醫用機器人。有的工作站由于環(huán)境惡劣等緣故而只能由機器人進(jìn)行操作，相比于這些工業(yè)機器人，醫用機器人的工作必須與病人和醫務(wù)人員進(jìn)行直接接觸。因此，醫療領(lǐng)域使用的機器人對安全性能的要求比工業(yè)領(lǐng)域更為復雜和嚴格。

　　這一挑戰對于神經(jīng)外科表現尤為明顯——因為在手術(shù)中，需要要求極高的精確度來(lái)定位外科手術(shù)工具。機器人可以比最有經(jīng)驗的神經(jīng)外科醫生實(shí)現更高的精確度和重復性。然而，他們不能對危險和突發(fā)事件作出及時(shí)和自主的響應。

　　神經(jīng)外科觸覺(jué)設備

　　由于外科醫生不能將整個(gè)手術(shù)操作過(guò)程委托給一個(gè)機器人，因此最佳的機器人解決方案由主/從工作方式來(lái)實(shí)現。外科醫生指定一個(gè)動(dòng)作給機器人設備，然后機器人移動(dòng)手術(shù)儀器進(jìn)行精確定位。

　　由于這一主/從工作方式，外科醫生不能直接與儀器接觸，他們通過(guò)能重現人工手術(shù)操作中所有特有感覺(jué)的特殊傳感器，與手術(shù)操作過(guò)程保持一定程度的連接。這些被稱(chēng)為觸覺(jué)設備的傳感器能在指令設備上重現力量感覺(jué)。該解決方案使機器人的工作安全狀況大大提高，因為機器人的所有動(dòng)作都由外科醫生合理進(jìn)行控制。

　　機電一體化與醫用機器人和觸覺(jué)主/從機器人系統協(xié)同工作已經(jīng)超過(guò)10年，它也擔負起開(kāi)發(fā)微創(chuàng )神經(jīng)外科手術(shù)機器人應用控制系統的挑戰。在此應用中，手術(shù)工具是一個(gè)腫瘤病變治療的特殊設備，該設備被稱(chēng)為光子放射外科系統—ZEISS(PRS)。

　　PRS系統是一個(gè)低能量X-射線(xiàn)微型源，從插入顱腔中的探針頭上發(fā)出輻射。PRS允許外科醫生對腫瘤病變限定輻射量，以避免輻射線(xiàn)與腦組織的正常良好區域接觸。這種治療方式是微創(chuàng )性治療，因為探頭從直徑只有3至7毫米大小的洞中穿過(guò)。就病人的腦損傷和后期手術(shù)恢復方面而言，微創(chuàng )性治療具有很大的優(yōu)勢。

　　以前，外科醫生必須通過(guò)定位被稱(chēng)為立體定向頭盔的金屬結構上的設備，進(jìn)行PRS系統的手動(dòng)控制(如圖1)。發(fā)射探頭通過(guò)齒條傳動(dòng)穿過(guò)顱腔。金屬結構作為定位神經(jīng)外科手術(shù)儀器的三維參考。然而，人工控制不能提供較高的定位精度，并且其功效在PRS系統應用中僅局限于并不多見(jiàn)的球形腫瘤。

　　用于神經(jīng)外科的線(xiàn)性驅動(dòng)器(LANS)

　　我們將注意力集中在把PRS系統的應用擴展到更為常見(jiàn)的橢圓腫瘤病變的病人。輻射量必須沿腫瘤病變的主軸進(jìn)行分布，從而使輻射球形范圍可以覆蓋到整個(gè)腫瘤病變區。由于執行該動(dòng)作需要一定的精度，因此需要用到機器人系統。所以，我們開(kāi)發(fā)了用于神經(jīng)外科的線(xiàn)性驅動(dòng)器(LANS)。