虚拟现实技术在微创手术机器人中的应用研究审批稿

虚拟现实技术在微创手术机器人中的应用研究

YKK standardization office【 YKK5AB- YKK08- YKK2C- YKK18】

虚拟现实技术在微创手术机器人中的应用研究Research on Application of Virtual Reality Technology for Minimally Invasive Surgical Operation Robot

Abstract: Virtual reality is the key technology of minimally invasive surgical operation robot, of which the applications about virtual reality mainly include force feedback technology, haptic technology and vision feedback technology. The paper Introduces relevant progresses in the domestic and overseas, analyses the key technologies and extends to discuss it.

Key words: virtual reality; minimally invasive surgical operation; robot

摘要: 虚拟现实技术是微创手术机器人的关键技术，微创手术机器人上的虚拟现实应用主要是力反馈技术、触觉反馈技术、视觉反馈技术以及虚拟手术系统平台。本文介绍了国内外的发展状况，分析了其中的关键技术，并对其进行了延伸和讨论。

关键词: 虚拟现实微创手术机器人

1 引言

随着社会的不断发展和人民生活水平的不断提高医疗外科领域也在不断地进步，医疗问题一直是社会的焦点并得到越来越多的重视。在外科手术中，人们不仅在手术的成功率上比较重视，而且也越来越重视手术的过程与所用到的技术和设备及术后康复等问题。传统的微创医疗手段已经不能满足人们对治疗效果的需求。由此，微创外科手术机器人应运而生。微创外科手术在传统的外科手术基础上，以术后恢复快、创伤小、不易感染等很多优点，得到实践并迅速发展。在21世纪之前作为微创外科代表的腹腔镜手术已达到了一定的技术瓶颈，虽然它已成为最早开放性手术的一次变革，但是随着新世纪的到来科学技术的不断革新，腹腔镜技术已经满足不了现代微创手术的高精度、高效率、高智能化的特点。与此同时机器人技术在不断的前进以及其在各个领域应用的逐日增加，这为外科手术在质的飞跃上奠定了良好的基础。

到目前为止,机器人技术在医疗微创外科手术中已经得到了非常广泛的应用，这种技术的引入不仅仅完善了传统微创医疗中的不足,并且带动了新领域中新技术、新理论的发展。手术机器人作为先进机器人技术的代表是集多学科多领域为一体的新型科研领域，推动了世界微创手术的进步，手术机器人的飞快发展改变了以往的手术方式，主治医师不再借助腹腔镜等机械设备直接对患者做手术，而是通过计算机及机器人的辅助间接地完成，这样的主从式手术机器人不仅提高了手术的精度而且避免了许多腹腔镜手术的缺点，最突出的就是避免了主治医师长时间操作手术而出现的疲劳现象。现代手术机器人关键的技术之一就是感知觉，主要包括视觉和触觉。虚拟现实(VR-virtual reality)技术就是利用计算机技术和传感技术生成一个逼真的具有视觉、触觉等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。将虚拟现

实技术作用手术机器人，手术医生通过机器人进行手术时就可以看到实时的手术情况并且有触觉感知，这将大大提高手术操作的准确率和成功率，这样外科医生就可以通过小的切口或开口来实施手术操作，因此接触人体内部组织就不必打开人体体腔。

2 国内外研究状况

2001年，由海军总医院、北京航天航空大学等多家科研机构共同研制了应用于临床的第二代无框架立体定向手术机器人。由于引入了虚拟实现技术拥有手术规划的程序，所以提高了手术的精度和安全性。国内首台可用于临床外科手术的微创机器人妙手A（McroHand A）是由天津大学和南开大学等一些科研机构在2010 年共同研制的。妙手机器人是我国科研人员通过几年的研究所创作的我国第一台自主的可用于微创手术的手术机器人，并且现在妙手机器人也通过了临床的实验可用于实际手术操作。如图1所示，妙手 A 系统面向腹腔微创手术，改善了传统的开腹式手术，不仅创伤减小了而且新技术的应用也提高了手术的各项精度，妙手机器人的系统中包含可模拟微创手术的仿真模块，不仅可以进行临床手术也可以为一些重要的外科微创手术提前做好手术规划使手术效果更好。妙手微创手术机器人的视觉控制系统中应用了新的投影算法，这种算法在手术机器人的可视化成像系统中发挥着重要的作用，该先进技术弥补了我国微创外科三维视觉领域的空白[1]。

图1 秒手A手术机器人

2000 年1 月初，Intuitive Surgical 公司成功研发出达芬奇机器人高清手术系统（Da Vinci Si HD Surgical System），它也是即ZEUS 手术机器人之后世界最先进最智能化的微创手术机器人，如图2所示为达芬奇机器人高清手术系统手术机器人总体操作系统。系统和 ZEUS 手术机器人相似主要分为两部分，一部分就是手术医师的操作端，也称为控制端，还有一部分就是对病人操作的执行端，除了这两大块部分，更值得一提的就是达芬奇具有更清晰的视觉系统，能够让手术医师在一个良好的视觉环境下工作。手术医师在控制台控制达芬奇手术机器人主操作手，从操作完成执行动作，多功能手术床有三个机器人手臂和一个内窥镜臂，医师通过脚踏板来控制视觉系统[2]。另外研发人员已经针对该机器人开发了一款训练平台，用于监测和记录外科医生在某个训练项目时的表现，并确保外科医生采用了正确的动作来完成手术。该训练平台还结合了实时的视觉反馈，用于显示告诉学员对训练任务或动画组织施加了多大的力。这种视觉反馈有助于学员在手术过程中减少对患者组织的损伤。

图2 达芬奇手术机器人