將由CompactRIO硬件平臺(tái)控制的高精度機(jī)器人設(shè)備用

挑戰(zhàn)：創(chuàng)建一個(gè)高精度的監(jiān)督和控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在微創(chuàng)神經(jīng)外科中，安全地移動(dòng)機(jī)器人。
解決方案：使用NI CompactRIO平臺(tái)開(kāi)發(fā)一個(gè)安全的、統(tǒng)更合理、更靈活且更可靠的高性能機(jī)器人控制系統(tǒng)。
“由于CompactRIO硬件平臺(tái)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(shè)計(jì)更合理，可靠和有效率?！?br />機(jī)器人設(shè)備應(yīng)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(kāi)發(fā)出更加有效、安全的醫(yī)用機(jī)器人。有的工作站由于環(huán)境惡劣等緣故而只能由機(jī)器人進(jìn)行操作，相比于這些工業(yè)機(jī)器人，醫(yī)用機(jī)器人的工作必須與病人和醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行直接接觸。因此，醫(yī)療領(lǐng)域使用的機(jī)器人對(duì)安全性能的要求比工業(yè)領(lǐng)域更為復(fù)雜和嚴(yán)格。
這一挑戰(zhàn)對(duì)于神經(jīng)外科表現(xiàn)尤為明顯――因?yàn)樵谑中g(shù)中，需要要求極高的精確度來(lái)定位外科手術(shù)工具。機(jī)器人可以比最有經(jīng)驗(yàn)的神經(jīng)外科醫(yī)生實(shí)現(xiàn)更高的精確度和重復(fù)性。然而，他們不能對(duì)危險(xiǎn)和突發(fā)事件作出及時(shí)和自主的響應(yīng)。
神經(jīng)外科觸覺(jué)設(shè)備
由于外科醫(yī)生不能將整個(gè)手術(shù)操作過(guò)程委托給一個(gè)機(jī)器人，因此最佳的機(jī)器人解決方案由主/從工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。外科醫(yī)生指定一個(gè)動(dòng)作給機(jī)器人設(shè)備，然后機(jī)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(yī)生不能直接與儀器接觸，他們通過(guò)能重現(xiàn)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。這些被稱為觸覺(jué)設(shè)備的傳感器能在指令設(shè)備上重現(xiàn)力量感覺(jué)。該解決方案使機(jī)器人的工作安全狀況大大提高，因?yàn)闄C(jī)器人的所有動(dòng)作都由外科醫(yī)生合理進(jìn)行控制。
機(jī)電一體化與醫(yī)用機(jī)器人和觸覺(jué)主/從機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同工作已經(jīng)超過(guò)10年，它也擔(dān)負(fù)起開(kāi)發(fā)微創(chuàng)神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。在此應(yīng)用中，手術(shù)工具是一個(gè)腫瘤病變治療的特殊設(shè)備，該設(shè)備被稱為光子放射外科系統(tǒng)―ZEISS（PRS）。
PRS系統(tǒng)是一個(gè)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(duì)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?yàn)樘筋^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(fù)方面而言，微創(chuàng)性治療具有很大的優(yōu)勢(shì)。
以前，外科醫(yī)生必須通過(guò)定位被稱為立體定向頭盔的金屬結(jié)構(gòu)上的設(shè)備，進(jìn)行PRS系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)應(yīng)用中僅局限于并不多見(jiàn)的球形腫瘤。

用于神經(jīng)外科的線性驅(qū)動(dòng)器（LANS）
我們將注意力集中在把PRS系統(tǒng)的應(yīng)用擴(kuò)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(qū)。由于執(zhí)行該動(dòng)作需要一定的精度，因此需要用到機(jī)器人系統(tǒng)。所以，我們開(kāi)發(fā)了用于神經(jīng)外科的線性驅(qū)動(dòng)器(LANS)。
神經(jīng)外科線性驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)機(jī)器人設(shè)備，用于在觸覺(jué)主/從操作過(guò)程中以線性方式移動(dòng)PRS微型源。研究人員使用一個(gè)來(lái)自英國(guó)的商業(yè)機(jī)器人NeuroMate，作為L(zhǎng)ANS的空間定位器。這樣使得手術(shù)進(jìn)展過(guò)程中微型源的軸，沿著腫瘤病變的主軸移動(dòng)（如圖2）。外科醫(yī)生決定著顱腔內(nèi)探頭的運(yùn)動(dòng)。