將由CompactRIO硬件平臺控制的高精度機器人設備用于腦瘤手術

　　挑戰(zhàn)：創(chuàng)建一個高精度的監(jiān)督和控制系統，該系統能夠在微創(chuàng)神經外科中，安全地移動機器人。

　　解決方案：使用NI CompactRIO平臺開發(fā)一個安全的、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的原型設計更合理，可靠和有效率。”

　　機器人設備應用于醫(yī)療行業(yè)已有40多年，目前研究人員仍然在不斷致力于開發(fā)出更加有效、安全的醫(yī)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行操作，相比于這些工業(yè)機器人，醫(yī)用機器人的工作必須與病人和醫(yī)務人員進行直接接觸。因此，醫(yī)療領域使用的機器人對安全性能的要求比工業(yè)領域更為復雜和嚴格。

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

　　神經外科觸覺設備

　　由于外科醫(yī)生不能將整個手術操作過程委托給一個機器人，因此最佳的機器人解決方案由主/從工作方式來實現。外科醫(yī)生指定一個動作給機器人設備，然后機器人移動手術儀器進行精確定位。

　　由于這一主/從工作方式，外科醫(yī)生不能直接與儀器接觸，他們通過能重現人工手術操作中所有特有感覺的特殊傳感器，與手術操作過程保持一定程度的連接。這些被稱為觸覺設備的傳感器能在指令設備上重現力量感覺。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作都由外科醫(yī)生合理進行控制。

　　機電一體化與醫(yī)用機器人和觸覺主/從機器人系統協同工作已經超過10年，它也擔負起開發(fā)微創(chuàng)神經外科手術機器人應用控制系統的挑戰(zhàn)。在此應用中，手術工具是一個腫瘤病變治療的特殊設備，該設備被稱為光子放射外科系統—ZEISS(PRS)。

　　PRS系統是一個低能量X-射線微型源，從插入顱腔中的探針頭上發(fā)出輻射。PRS允許外科醫(yī)生對腫瘤病變限定輻射量，以避免輻射線與腦組織的正常良好區(qū)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。就病人的腦損傷和后期手術恢復方面而言，微創(chuàng)性治療具有很大的優(yōu)勢。

　　以前，外科醫(yī)生必須通過定位被稱為立體定向頭盔的金屬結構上的設備，進行PRS系統的手動控制(如圖1)。發(fā)射探頭通過齒條傳動穿過顱腔。金屬結構作為定位神經外科手術儀器的三維參考。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的球形腫瘤。

　　用于神經外科的線性驅動器(LANS)

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