教和回放训练对微创手术设备

文摘

最近的技术进步提供了机会显著改变传统开放手术的方式允许微创手术(MIS)通过特定的手术仪器进入人体通过key-sized孔而不是大切口。尽管管理信息系统提供了一个机会少创伤和更快的恢复,从而减少住院时间和服务员成本,这个过程的复杂性很难掌握,因为有限的工作区域和限制自由度。因此,本研究试图设计一个教和回放设备,有助于手术训练帧,然后繁殖手术动作。结果是一个便宜的和便携式教腹腔镜培训设备,可以记录和回放之后教练的手术动作和回放,学员。实际上,这种装置可以提供一个训练平台一般外科居民和许多其他应用程序也会受到其他机器人援助任务,可能需要复杂的运动训练和控制。

1。介绍

这过去的十年,一个不可否认的转向微创手术的新方法(MIS),受现代增强手术器械的设计以及视觉和图像处理的技术。MIS过程通常是通过半英寸的切口进行(或多个这样的切口),提供病人利益相比,传统的开放手术,包括减轻创伤,短暂的住院,和高质量的护理1,2]。然而MIS是更具挑战性的外科医生比开放手术(3,4]。确实在管理信息系统中,视觉反馈从操作区域只能通过内窥镜的相机。因此,而不是使用直接观察,外科医生使用一个二维(2 d)屏幕监视operations-an方法,剥夺了他们的方法测量深度。更重要的是,因为在切口的运动学约束点,仪器的运动受到限制。减少视觉和触觉感知和缺乏灵巧的空间尽管手术方法正向微创技术,寻求为病人提供额外的好处,即使这样做会增加压力对外科医生(5]。因此,解决这些技术问题的高需求,尤其是对复杂的任务,比如缝合。特别是,培训管理信息系统程序需要确保安全实践在一个有限的减少工作空间提供触觉反馈。因此,最近的研究表明需要面向任务的测试,包括管理信息系统的复杂性与视觉,空间,认知、感知,和运动的因素也至关重要的调查,分类,和设计培训项目各级外科医生为了建立首选模型结构,定量和客观的教育和评估(6- - - - - -9]。本研究,旨在满足这些需求通过开发一个物理教和回放训练设备。

使用管理信息系统提高了手术的结果虽然减少恢复时间,但它也复杂手术任务,提高外科医生的压力水平作为他们工作的复杂性也增加。外科工效学研究自然之后,已经找到减轻压力的方法,提高技能,定量评估技能。最后一个对象试图揭示有关的重要信息实习外科医生的专业水平以及培训过程本身的有效性。此外,它可以提供及时反馈学员各级,极大地协助能力评价。这种方法可以大大减少训练时间研究人员和专家医生,对他们来说,可以使用评估信息来帮助他们自己的研究和分析,同时提高手术的人体工程学。

从历史上看,外科技能评估一直是主观的,根据直接观察,全球评估,使用清单(10]。作为评估的一部分,有经验的外科医生观察学员在MIS-a耗时的方法,也是资源,effort-intensive。然而,客观的评估,提出了自己的挑战,因不同的病人,手术团队,和操作设置等因素(11]。有鉴于此,努力改善和制定客观评价方法在过去几年(数量激增12]。作为这一努力的一部分,MI研究人员,以及在其他领域,研究人员合作开发的方式客观地评估手术技能。然而,一个广泛的文献回顾显示,独立解决这些挑战尚未虽然使用虚拟现实(VR)系统显示一些承诺11]。

患者越来越喜欢MIS,但训练有素的外科医生的数量低于demand-partly由于缺乏信息系统设备和部分原因是这类设备的高昂成本。因此,小设备是可用的,无论是手术室(或)或培训。更重要的是,没有定量标准存在实时评估手术技能。因此,本研究旨在提供一种低成本的便携式教和回放和腹腔镜培训设备能够记录一个教练对学员的手术动作和回放。使用这种方法将极大地速度学习时间通过提供访问专家实践做好准备,从而避免主观(“自我发现”)学习方法复杂的技能。

教和回放训练设备原型提供了一个享受6自由度机械臂(6自由度)。虽然,传统上,直流伺服电机组成三个终端(积极的,消极的,信号),一般未使用的终端在伺服电动机的住房可以利用电位器,轴的伺服电动机本身作为一个变量变阻器。因此,当帧运动使用教和回放设备,六自由度机械臂能够编码的轴角信息来自六个不同的伺服马达,也作为电位计,进行处理和分析。这个简单的设计选择作为内核的概念教和回放设备及其建设:设备记录机器人的末端执行器的运动路径,物理帧它复制同样的动作。因此传感器消除复杂的逆运动学方程的计算。

2。系统结构

系统有一个6自由度(自由度)机器人建设本身是建立六个伺服电机,机械地连接到彼此通过铝链接,形成机器人的电枢。图1给出了系统结构。在离线模式(非激励),每个伺服还充当一个电位器,在物理帧,电枢的六个伺服电机,现在作为电位器,发出瞬时控制伺服电机的轴角信息进行处理和分析。因此传感器消除需要解决复杂的逆运动学方程。

每个伺服的信号和电位计终端连接,分别的“数字”输出针伺服驱动和“模拟”Arduino单片机的输入引脚。这些集成电路(ic)施加控制,路线指示,并允许接收的数据。Arduino单片机本身就是通过通用串行总线(USB)个人电脑或工作站,串行通信在双工(双向)模式。因此物理帧信息传输到数据库托管在工作站上进行存储,并对需求也可以传播Arduino单片机在串行双通道。这是整个系统。Adafruit®16通道12位PWM /伺服驱动,使用PCA9685,驱动器在我16伺服系统²C,利用仅有的两针。同时机载PWM控制器驱动所有16通道,不需要额外的Arduino处理开销。为了扩张,多达62名司机可以链接到992伺服控制,所有使用相同的两个别针:SDA(数据)和sci(时钟)端口。伺服电机精确控制允许的角位置,速度,加速度,耦合为位置反馈传感器。

视差数据采集工具,俗称PLX-DAQ,是Microsoft Excel软件插件获得26频道的单片机通过串行通信数据,整理成列的数据。PLX-DAQ因此提供了一个简单的电子表格的方式进行分析收集的数据,以及实验室分析的传感器设备和实时监控。

2.1。伺服修改

传统上,伺服电动机接受直流电(DC)输入由三个电终端:积极的、消极的,和信号。不过,总体而言,还有一个终端的集成电路保护潜在的伺服电动机过流故障和冲击。利用该终端允许添加第四个新连接,这个作为电位计,与伺服电机本身作为一个变量变阻器的离线模式。

因此,在运动的物理帧使用教和回放设备离线模式(即。,when the servos are not driven), the armature and its six different servomotors, each now acting as a potentiometer, emits moment-by-moment angular information from the shaft of the servomotor for processing and analysis. This simple concept, unique to this project, serves as the essential concept around which the Teach and Playback device is built.

2.2。机器人运动学

机器人的运动学方程系列链使用刚性变换得到描述在每个关节和相对运动允许使用一个单独的刚性变换定义每个链接的尺寸。产生的序列是一种刚性转换,交替联合和链接转换的基础链尾环,位置的计算如下: 在哪里是转换定位链接。

这些方程代表了串行链的运动学方程(13]。

1955年,Denavit和Hartenberg引入了公约定义联合矩阵和链接矩阵以规范为空间坐标系的联系(14,15]。本公约位置联合框架,它由一个螺旋位移沿设在: 和立场的链接框架,它由一个螺旋位移沿设在: 使用这个符号,每个转换链接沿着一个串行链机器人坐标变换可以被描述 在哪里 , , ,和是Denavit-Hartenberg参数。

2.3。运动分析

通过运动学分析,设计者可以发现每个组件的位置所需的机械系统数据后续动态分析和控制路径。逆运动学的例证分析约束的刚体系统,或运动链,这样一台机器人的运动学方程可用于定义循环方程为一个复杂的系统,这是非线性约束系统的配置参数。独立参数在这些方程被称为系统的自由度。虽然解析解的逆运动学问题存在广泛的运动链,计算机建模和动画工具经常使用牛顿法解非线性运动学方程。逆运动学算法的其他应用程序包括交互式操作,动画控制和避碰。

3所示。系统编程

3.1。通信接口和硬件编程

广泛的编程是用于建立通信接口和编程的微控制器在所有通信接口控制系统,允许发送、接收和路由的角值以及用户界面的使用。通信和Arduino使用Arduino单片机进行编程语言,类似于C编程语言C风格的构造和功能。它是用来阅读和路线,通过单片机本地计算机数据库电位计值。电位计和Arduino单片机之间的通信是通过建立通信协议,而Arduino单片机和计算机之间的通信是通过USB。

3.2。用户界面和软件编程

PLX-DAQ Microsoft Excel插件是后端使用Visual Basic应用程序编码(VBA),是专门设计的用户界面,可以修改填充角值和图形插图实时如图2。图3说明的顺序教和回放行动。

4所示。数据验证

而不是物理帧运动到教和回放设备,该设备是精力充沛,由伺服系统记录值在“教”和“回放”阶段的记录和比较。表1和数字4和5现在的观察从每个伺服,1到6,在教会和回放设备已经讨论过的那样,当没有运动物理帧,当它处于停滞状态,用脉冲值记录在40 Hz,持续9秒。角值和百分误差也计算的脉冲值,在“教”和“回放”阶段。表1列表平均脉冲值、百分误差和标准差为伺服系统1 - 6在“教”和“回放”阶段。

上述值表明,平均误差百分比计算在第六届联合或第六伺服远低于平均误差百分比计算在第一个伺服。另一个有趣的观察也可能是:平均误差百分比增加从第六伺服第一。类似的模式也观察到在标准差计算为每个伺服系统。与错误百分比,计算标准差具有更高价值的第六个比在第一个伺服伺服,和标准偏差值不断增加的第六个伺服关节第一。图4显示了在固定位置伺服值在“教”和“回放”阶段。

这种行为符合现有的知识:第六伺服负载远低于第一,忍受的负载的第六个伺服直接应用到第五伺服,体重六伺服本身,与第一个等等。因此第一个伺服,处于基础地位,熊的最高负荷。因此,最大误差和偏差的输出输入的伺服但下降到第六伺服。通过这种方式,强化了理论理解计算观测。

图5描述了伺服值在“教”和“回放”阶段手术期间锻炼(挂钩转移),在此期间,平均误差百分比计算在第六届联合或第六伺服明显小于第一个伺服。以前的观测的回声定位,可以归因于所承受的载荷的差异在不同位置伺服系统。

5。结论

5.1。设计的贡献

在这项研究中,一种新的教和回放训练设备developed-essentially 6自由度机器人,可以用来训练新手外科医生执行外科微创手术首先记录运动教练,然后播放这些学员的动作。这个设备从而寻求解决需要一个量化的标准来评估实时手术技能。

在发展中一个交互式高速双向通信的通信协议,本研究试图无缝连接这样的训练设备计算机工作站或笔记本电脑通过一个开源的单片机,利用无处不在的Microsoft Excel作为数据库的物理帧角信息。这种方法结合了视觉上赏心悦目访问原始数据与设施瞬时模式识别和鉴定,以及无限的存储容量和数据存储。

这项研究还解释了一个简单的伺服黑客可能适应第四个终端,使伺服电动机作为电位计的独立状态,从而形成整个基础开发低成本的教和回放装置的问题。值得注意的是,本研究使用现成的和低成本的组件和设备,连同开源架构和免费软件,方便施工。

在误差分析进行脉冲和角值记录的关节教和回放设备每六个伺服系统的停滞状态,以及当一个实际行动(挂钩转移)使用设备,执行与身体运动帧到设备,观察百分误差值是合理的和允许的水平。事实上,平均百分误差和标准差值记录与理论上系统的预期行为。

5.2。建议未来的研究

提出的设计范式应适用于一个工业级伺服,允许其性能测量在实际情况中。此外,使用一种更健壮的基于gui的中间件软件包将增强操作在“回放”阶段,使它更顺利、更准确。搅拌机(16)可以被认为是一个专业的开源三维计算机图形软件产品是用于创建动画电影,视觉效果,艺术,3 d打印模式,交互式3 d应用程序,视频游戏资产。重要的是,游戏引擎在这个软件应用程序可以被用来构建一个虚拟模型的教和回放设备的整个电枢。这个引擎也蔑视一个逆运动学系统,可以用来计算关节位置和角度伺服即刻和更大的精密度和准确度。因此,使用这个软件将减少舍入的影响,减少潜在的噪音产生的其他来源的影响在沟通。继续研究这一领域中可用的许多功能可以利用更复杂的软件包来提高精度,提高精度,提高可视化。

信息披露

作者承认本文中描述的一部分研究工作曾在2016年提出了灵活的自动化和智能化制造(饿)会议。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

引用

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