在微创手术中对模块化微型机器人远程控制的手术界面进行硅研究

摘要

目的．模块化微型机器人可用于新型微创手术技术，如自然孔腔内窥镜手术(NOTES)和腹腔镜单部位手术(LESS)。这些微型助手的控制很复杂。本研究的目的是研究一种可用于微创手术的模块化微型机器人的远程控制接口。方法．概念控制系统的开发，编程，并使用专业的机器人模拟软件模拟。控制的三种不同的模式进行编程。远程控制外科界面虚拟设计作为相应模块化微型机器人的高尺度表示，因此模块化控制系统本身。结果．利用所提出的模块化控制系统，用户可以很容易地识别模块化微型机器人的构造，并根据需要对其进行适当的修改。每个模块的排列都是已知的。在硅的调查提供了有用的信息，关于控制模式，适当的速度重新安排，和模块的数量需要有效的工作任务。结论．提出的概念模型可以促进更复杂的模块化控制系统的研究和发展。在微创手术过程中，模块化的手术接口可以提高模块化微型机器人的操作能力和灵活性。

1.介绍

微创手术是时下一个统一的替代传统的开腹手术多项业务。微创外科技术包括腹腔镜，单个站点手术，经自然腔道内镜手术。腹腔镜手术已被证明是对患者创伤小，以最小的术中出血，术后疼痛轻，加速复苏，和优秀的美容效果。一种新的有希望的微创方法是laparoendoscopic单中心（LESS）手术，还通过各种其它名称（例如，单个切口腹腔镜手术（SILS）和降低的端口外科手术（RPS））的已知的。少了外科医生的普遍赞誉作为替代标准腹腔镜手术的各种操作[1］．当Kalloo等人时，2004年开始，在自然侵入性外科对天然孔隙外科内窥镜手术（注意事项）的演变始于2004年。发表了他对俗颈手术的研究[2］．笔记在手术技术方面非常令人着迷，但其演变似乎严格连接到技术[3.］．

信息学和机器人技术为现代外科医生提供了新的工具。目前，用于外科手术的体内微型机器人的发展已成为现实，具有潜在的优势，并有可能在未来的微创手术中应用[4.那5.］．一个革命性的想法是开发模块化的微型机器人。模块化微型机器人是由小的子单元(模块)组成的，这些子单元(模块)可以被组装并构造一个具有功能的微型机器人[6.］．控制模块化迷你机器人相当复杂。因此，必须开发适当的软件和硬件技术，将外科医生提供所有必要的信息，并使他能够简单而精确地控制他的微型助理。使用机器人仿真软件，我们可以实际上开发迷你机器人并调查它们在硅的功能。

本研究的目的是在实验研究的概念模型的手术远程控制接口模块化微型机器人，可用于微创手术。

2。材料和方法

我们的概念模型的发展是基于用户 - 外科医生可以处理模块化遥控器相似但大规模的想法，以便他想要控制的腹部模块化迷你机器人。然后，他可以在尝试找到适用于他的微型助手的适当配置时移动控制器的模块。因此，我们设计了一种简单的模块化蛇形微型机器人，包括四个亚基及其相应的模块化遥控器并模拟它们（图1）。

对于控制器的开发和仿真和各个迷你机器人，我们使用了该博览表6.0.0（瑞士）的播种器版本[7.］．所有模块采用简单的三维基本几何对象进行设计。每个模块的主体由一个立方体和两个圆柱体构成。微型机器人模块的尺寸为24mm × 10mm × 10mm。模块化远程控制系统(MCS)子单元的结构与微型机器人相同，但尺寸为96mm × 40mm × 40mm，是微型机器人的4倍。这种尺寸对外科医生来说应该很方便。

我们设计了两种不同类型的模块：连接模块和相机模块（图2）。所有模块都是对称的轴并配备有其提供组装的微型机器人运动四个有源旋转伺服马达。两个伺服马达被定位在后侧上的前侧和两个。以这种方式，一个马达给出了轴的180°的圆弧运动，以便左右90°的运动，右90°，另一个电机在轴上提供360°运动（或者）为所述模块的一个完整旋转在连接时（图2）。具有受控连接/断开的电磁对称连接器位于每个亚单元的正面和后侧。迷你机器人的相机亚基配有两种彩色摄像头和两个白色发光二极管（LED）。控制系统的相机模块没有运行相机。最后，每个子单元提供发射器和接收器，以实现MCS和迷你机器人之间的基于无线双向模块ID的通信。

每个MCS亚单元上分别安装一个红色和一个蓝色LED。这些led为用户提供有关连接状态的可见信息。当前连接器在另一个模块配对连接器的磁场内时，蓝色LED被激活，当后连接器在磁场内时，红色LED被激活。没有设计详细的机电机器人部件。这是本研究的目的。

编程了三种不同的控制模块迷你机器人的控制模式。（a）首先是绝对主从映射模式，其中MCS的配置实时传输到模块化迷你机器人。例如，当MCS的第二模块旋转时，同时迷你机器人的第二模块执行相同的运动。(B) The second is a postaction mode (delayed master-slave mapping) in which the surgeon can move the modules of the MCS to achieve a preferred conformation and then transmit the new arrangement to the modular mini-robot when he desires (e.g., by pressing an appropriate button). (C) In the third mode, the user can select a preprogrammed simple motion or configuration from a list of actions. The MCS and the miniature robot execute simultaneously the command. Snake-like sinusoidal motions were programmed to achieve robot locomotion. Motion scaling was incorporated for accurate manipulation during the surgical procedure.

使用带有特殊库的C编程语言，使用Webots的内置编辑器和编译器开发仿真的可编程控制器。所有连接模块使用一个程序上相同的控制器，该控制器使用基于模块id的控制表定位伺服电机。摄像机模块使用另一个控制器，另外实现对摄像机的控制。

利用Webots的物理节点定义了一些物理参数。设置质量分布、重力和摩擦参数，使物理模拟引擎能够计算出真实的力。

像肠，肝，和胆囊腹内结构进行了使用简单的3D对象设计（图3.）。腹腔内环境进行了模拟，以调查关系MCS的控制能力模块化微型机器人的视觉和运动。

对远程控制进行了配置、运动学、协调、定位和用户交互方面的研究。

结果

模块化控制系统允许用户立即确定模块化微型机器人的构造。实时模式允许迷你机器人按照标准使用，根据需要执行配对命令。这是控制微型机器人静止状态时最简单的方法，例如，在对组织进行操作时。用实时模式激发微型机器人的运动似乎是不可能的，因为这个过程需要所有子单元的快速和精确的协调。使用超过0.25 rad/sec的旋转运动快速改变结构，主要由于力矩导致机器人的不可预测的位置(表)1）。致动速度是用户依赖的。致动速度限制器解决了问题但限制了用户性能。当系统的后亚基固定时，在实时模式下操作更容易，因此一种类似于外部磁性锚固系统（MAGS）的配置[8.］．在实时模式下很难控制四个以上的子单元。大量的子单元使微型机器人的行为变得复杂，因为用户必须实时在心里考虑力矩和摩擦等附加力。

后动模式有助于在不同步修改微机器人的情况下发现不同的构象。用户能够找到最适合他的活动的配置。然而，在很多情况下，使用这种模式会以不可预测的方式显著改变腹内机器人的排列和方向。这是由于模块在高速(>0.25 rad/sec)旋转运动中产生的扭矩以及随后与周围一些结构的碰撞造成的。因此，后动作模式的速度被设置为0.1 rad /sec。这种模式被证明是有用的，当它被用来预测一个稳定的运行配置。默认情况下，后动作模式对运动无效。这种控制模式所能处理的亚基数目似乎是没有限制的，尽管数目越高，控制和预测结果就越困难。

预编程的动作模式被证明是唯一一个提供迷你机器人的可接受运动的唯一运动和其亚基的快速重新排列。在此模式下执行命令期间，运算符可访问MCS。但是，操作员只能启动和停止预编程的动作，而不是修改。可以使用此模式处理的子单元数量似乎没有限制。关于机器人运动，所使用的亚基越多，结果越好。伺服电动机的高转速（> 0.25 rad / sec）给出了机器人的可接受的运动。然而，如果没有理想的没有运动的预编程构象，则伺服电动机的高旋转速度有人导致机器人的不可预测的定位主要是由于扭矩。除了正弦运动之外，为所有预编程动作设定了0.1 rad / sec的速度限制。

模块化微型机器人的配置仅通过观察MCS构象总是识别。然而，它的定位和方向不可预测的所有的时间。这主要发生因与周围的结构或滑移的碰撞（即，在肠）（图4.）。不可预测定位的另一个原因是在高速旋转运动（> 0.25rad / sec）期间的显着扭矩的发展。Mini-Robot执行了MCS发送的所有命令，但其模块运动依赖于它们与周围结构的交互，这在某些情况下堵塞了运动甚至强制了模块的断开。

MCS的led提供了关于微型模块连接状态的可视化信息。在构建模块化微型机器人时，这被证明是有用的。当意外或自愿断开连接时，它也很有用。MCS发送的所有命令都被记录下来，以便让用户读取有关其操作的信息。

4.讨论

从历史上看，手术与伤疤和疼痛有关。这方面可以通过微创手术，特别是LESS和NOTES来消除。然而，软件、硬件、新型手术工具和方法都需要改进。微型机器人可以配备手术工具和传感器，以提供来自腹腔的信息，并有可能进行远程控制的外科手术[9.］．微型机器人甚至可以由非专业人员操作，也可以由离病人几英里远的外科医生远程控制。10.］．

在微创手术中使用模块化微型机器人给外科医生在协调控制机器人亚单位方面带来了困难。单个模块本身是无法运行的，但组合在一起的模块可以完成复杂的任务，控制这样一个系统可能是相当困难的。手术机器人通常是通过使用操纵杆式手术接口，在间接视频辅助视觉下从患者身体外控制的[4.那11.那12.］．在某些情况下，蛇形模块化微型机器人可以与柔性内窥镜相媲美。考虑到这一点，我们应该考虑Allemann等人的研究，他们证明使用带有操纵杆界面的机器人内窥镜不足以增强NOTES柔性内窥镜的即时直观性[13.］．由于运动的复杂性和模块化微型机器人应该执行的任务的精度，新颖的远程控制系统应以使外科医生进行开发，而不是工程师，操作。谁将会使用模块化微型机器人应该感到安全和放松的外科医生;因此，远程控制系统应该是简单而准确。

Wortman等人。提出了一种微型机器人原型，其中外科界面是机器人武器的运动学匹配的主从配置缩放模型[14.］．该主系统允许外科医生通过直接映射每个关节来控制机器人。主从轴的比例长度为1.8：1。我们的概念模型具有相同的配对主从配置的基本思想，但是为完全体内模块化微型机器人（内部机器人）提出[15.］．Wortman等人的系统为用户提供了对微型机器人每个关节的直接控制，从而获得了更好的控制感。但是，由于所有的关节都没有配备电机，所以当机器人手臂被锁定时，主手臂无法保持在合适的位置。主人必须回到与机器人相似的方向才能解锁。我们的控制器概念模型配备了电机，默认情况下，它的配置总是与腹内微型机器人的配置相同。

我们的实验研究，得到关于控制，伺服电动机的工作速度的类型将被有效地控制一些有用的信息，和模块模块化机器人可以在订单的编号（表1）。虽然微型机器人的实时控制是最自然的外科手术期间使用时，难以控制多于四个亚基并且不可能诱导整个机器人系统的运动。在另一方面，postaction模式的有效性产生怀疑。这种情况是因为与周围结构的机器人亚基的重排过程中不可预知的相互作用产生。此外，如果伺服马达的旋转速度的重排过程中为高，则扭矩是相当大的。这一事实应考虑到这样一个微型的规模。然而，使用这种类型的控制，这是更容易找到一个稳定的操作机器人的适当构象。预编程模式是唯一一个与运动所提供的机器人。然而，当被激活时，机器人的构象改变为预编程命令需要，并且这有时可具有关于与周围结构和如上所述的模块力矩力的相互作用不可预知的结果。

模块化微型机器人上的子单元的位置一直是已知的，在现实世界中，外科医生可以通过他的双胞胎哥哥遥控器来“触摸”他的微型机器人。模块的缓慢和稳定的运动是可取的，以减少扭矩，实现理想的结构，定位和方向。然而，机器人专家团队需要进行更详细的研究，并使用更复杂的模拟库，考虑到机器人的所有特性和它运行的环境。在体微型机器人及其手术接口的构建和研究是十分必要的。外科医生、机器人专家和信息学专家之间的有效合作是微型机器人在微创手术中成功应用的基础。

虽然这是一个简单和基本的模拟，但它可能对未来的远程控制手术接口的构建有用，该接口可以用于在微创手术过程中控制模块化微型机器人。另一个想法是修改这个概念模型作为“手手套”,外科医生可以穿和控制他的小助手(每个模块可能是指骨或上肢的一部分,例如,前置摄像头模块搭配一根手指,第二个模块配对的手,第三个模块配对前臂,第四个模块与手臂配对)。目前的工作只是硅实验研究中的一个概念，并没有打算解决机械、电气和机器人工程的一般问题。

5。结论

提出的概念模型的设计可以促进更复杂和更复杂的模块化控制系统的发展。在微创手术过程中，模块化的手术接口可以提高模块化微型机器人的操作能力和灵活性。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

这项工作是2008年和2010年希腊佩特拉斯大学医学信息学-生命科学信息学硕士论文研究的一部分。感谢Hatziligeroudis教授和Papatheodorou教授(Patras大学计算机工程与信息系)在计算机编程和论文修改方面的帮助。感谢Drosou博士(生物学家)对蛇的组织行为和运动的指导。

参考

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