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虚拟手术训练力觉交互技术的现状与趋势
2014年11月17日    评论:    分享:

    作者:戴金桥,俞阿龙,孙红兵,徐宝国
    单位:淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院
          东南大学 仪器科学与工程学院

    摘要:虚拟手术训练系统对于解决传统的手术训练存在的问题,提高临床手术的安全性和治愈率起着积极的作用。在介绍了目前虚拟手术训练系统发展现状的基础上,阐述了虚拟手术训练交互装置的研究进展,针对目前虚拟手术训练交互装置存在的问题,提出了建设性的解决方案,并分析了其发展趋势和应用前景。

    随着科技的发展,人们对生命健康品质的要求越来越高,世界各国对医疗技术特别是外科手术的安全性提出更高的要求,统计数据表明,临床手术的失误80%是人为失误引起的,所以手术训练对于年轻外科医生的成长极为重要,然而传统手术训练方式存在诸多问题[1],为了解决传统手术训练方式的局限性,虚拟手术技术成为近年研究热点之一。

    随着机器人技术、计算机图形学、生物工程学和数学建模技术的高速发展,基于虚拟现实的虚拟手术训练系统为医护人员的手术训练提供了机会,也为传统手术训练所面临的一系列问题提供了一种具有潜力的解决方案。虚拟手术训练过程中,医生通过力触觉设备对虚拟的器官进行手术,感觉好像他们处在真实的环境当中对真实的器官操作一样,虚拟手术不仅可以毫无限制的重复操作,而且可以根据需要设置不同训练难度,让不同级别的医疗人员反复训练,训练的结果也可以保存起来方便以后的学习,训练所花的成本也非常低。同时可以用来评估手术结果,包括完成

    手术时间、手术操作的精确度、动作的简洁性、人为失误的数量、手术路径的长度、患者的安全性、受训者个人满意程度等,通过这些基本参数的提高,可以保证手术成功和减低病人痛苦,提高手术成功率[2]。因为虚拟手术训练系统提供了种既安全又节省的训练方案并被实践证明行之有效,已得到世界各国越来越多的关注。

    1 虚拟手术训练交互技术的发展现状

    鉴于基于虚拟手术训练系统的重要意义,国内外各大研究机构广泛开展了这方面的研究。20 世纪80年代末,Delp 和Rosen 构建了世界上第一个虚拟外科手术系统[3]。1991年Satava 完成了第一个腹部手术仿真系统。然而这些虚拟外科手术训练系统没有力触觉交互设备,操作者无法真实感受到虚拟手术过程中手术器具与肌体组织的相互作用,直到1995年,Levy在虚拟手术系统中加入了简单的力反馈设备,这才是第一次真正意义上的虚拟手术。1999年德国的研究者研制了一个具有图像和力反馈的虚拟操作系统用于骨髓穿刺手术训练[4]。

    2001年德国Karlsruhe商用虚拟内窥镜手术训练装置研制成功,操作者通过操作带有力触觉的机械手模拟控制手术刀进行虚拟内窥镜手术,同时在图形界面上逼真模拟手术过程中人体组织切割、变形、流血等现象[5]。2004年美国俄亥俄州立大学机械工程系的研究人员建立了一个虚拟触诊系统,用于专家对学员的训练[6]。2005年意大利的里雅斯特Sant’Anna 高级学校感知机器人实验室开发了具有力反馈功能的微创血管模拟手术装置[7]。2007年日本大阪大学的Yoshihiro Kuroda 等人利用CyberForce 开发了多手指虚拟手术交互系统用于内脏手术时让开无疾病器官的训练[8]。2009年美国的Shun Liang 等人利用Phantom 开发了用于关节囊缝合虚拟手术训练系统[9],同年香港理工学院的Kup-Sze Choi 等人利用Phantom研究了利用晶状体乳化法对白内障患者手术的虚拟手术训练系统[10]。2010年德国宇航中心的Rainer Konietschke 等人利用自行研制的手控器研制开发了微创外科手术多模式训练平台[11],同年意大利Salerno大学的Andrea F Abate 等人利用CyberForce开发了一种虚拟手术训练系统用于人工分娩手术的训练[12]。2011年瑞士的Andreas Tobergte等人利用Sigma.7手控器开发了双手操作的手术训练平台用于控制微创手术机器人实现微创手术的训练[13],韩国的Jong-Seok Oh等人开发了一种基于电流变液球形关节的3自由度力觉反馈手控器用于实现对微创机器人的控制[14]。2012年荷兰代尔夫特理工大学的Vinoth Manoharan等人设计开发了一种2自由度力反馈手术训练系统用于脊椎穿刺手术的训练15],同年,C. Staub等人通过对PHANToM Premium 1.5进行改造并设计完成了力反馈手控器用于对机器人手术系统的控制[16]。

    国内对虚拟手术的研究工作开展较晚,用于虚拟手术训练的力触觉交互技术研究基础相对薄弱,但也取得了一定成绩。2005年中国科学院自动化研究所研制了一种与真实手术刀近似的虚拟手术刀系统[17]。2008年上海交通大学的学者们利用PHAMTOM desktop和Virtual laparoscopic开发了腹腔镜手术虚拟手术系统用于对腹腔镜手术的训练[18]。2010年哈尔滨工程大学的研究者们利用PHANTOM开展了虚拟手术中软组织实时变形算法实验研究[19],同年河南科技大学利用Omega.3开展了虚拟手术的力触觉交互技术的研究[20]。华南师范大学的何健等人利用PHANTOM开展了虚拟手术系统的研究[21],南京信息工程大学的张小瑞等利用PHANTOM OMNI开展了双通道力触觉交互的虚拟肺手术仿真系统研究[22]。

    2 虚拟手术训练的力觉交互装置 

    用于虚拟手术训练的力触觉交互装置对于手术水平和效率的提高是至关重要的,因此对力触觉交互装置的保真度提出了很高的要求。目前大多数虚拟手术系统是利用已商业化的力触觉交互设备,如Sensable 公司的Phantom、Immersion 公司的CyberForce、Force Dimension 公司的Delta、Omega 手控器、Novint公司的Falcon以及Haption公司的Virtuose、Mimic公司的Mantis等,还有一部分是在这些力触觉设备基础上进行二次开发后研制的,如西班牙的Jose Sam Martin 等通过对Phantom 的改进,使其适合于关节微创手术训练[23],澳大利亚的Arne Sieber 等人将微型传感器安装于Phantom 末端执行器,构建了能够反馈三维力的力触觉实验平台,用于虚拟手术训练系统[24],意大利Salerno 大学的Andrea F Abate 等人利用CyberForce 开发了分娩手术训练力交互设备,用于模拟钻孔的SimQuest是利用两个3自由度的Falcon装配而成的[12]。

    除了已商业化的力觉交互装置外,还有部分虚拟手术力交互设备应用于实验室或正在研究开发中,如美国Drexel大学的研究人员研制了用于微创外科手术的7 自由度的力觉反馈装置[25]。墨西哥的Padilla等人研究开发了一种用于前列腺切除手术训练的力触觉交互设备[26],日本的Takafumi Terada 等人研制开发了用于内窥镜手术训练触觉模拟器[27],Shohei Fujino等人设计了类剪刀力觉装置用于模拟剪切感觉[28],2009年美国约翰•霍普金斯大学的Basafa等人研发了一种串联弹性元件的力觉装置用于腹腔镜检查虚拟手术[29],2010年加拿大Siddharth Vikal 等人研制开发的折叠式经皮手术训练的力交互装置[30]等,2011年瑞典的Suleman Khan等人设计并优化了用于模拟人体硬组织手术过程的Tau力觉装置[31], 法国的Chaker等人研究开发了一种球面并联的力反馈装置用于医疗虚拟手术[32],2009年,上海交通大学国家数字化制造技术中心宋亚冲等人推出了五维力反馈虚拟手术装置[33]。中国天津大学的Zhao等人研究了用于模拟微创手术的高透明度力觉设备[34],哈尔滨理工大学开展了单自由度和两自由度的虚拟手术器具的研究[35],北航的学者们研发了一种用于牙齿手术训练的力觉交互装置“iFeel3”[36],哈尔滨工业大学的研究者们利用串并联机构设计并优化了一种8自由度力觉交互装置[37]等。

    3 虚拟手术训练交互装置存在的问题

    目前存在的虚拟手术力触觉交互装置中,不管是已商业化的力觉交互装置,还是基于这些设备开发的力触觉交互装置,或是其它虚拟手术力触觉交互装置,大多数由电机驱动的主动力触觉交互装置,主动型力触觉交互装置用于虚拟手术时具有很大的灵活性,但存在着以下问题:(1)稳定性相对较差。这主要是由电机或其它主动驱动器自身固有的特性造成的;(2)保真性相对较差。在模拟硬接触如对牙齿或骨骼手术时电机处于堵转状态易产生振动;人体肌体组织特别是内脏组织不是完全意义上的弹性体,在受压、切割或针刺时是非线性的弹性形变,存在一定的粘滞性特征,主动交互装置在对些肌体组织手术过程的模拟中容易产生失真;(3)存在一定的危险性,可能存在的系统失效会使操作者受到伤害,导致系统失效的因素有电机、放大器、传感器等故障,也有可能是复杂控制算法中存在的未被发觉的程序错误,另一方面电机的反冲力也容易对操作者产生伤害;(4)体积较大,研究表明,产生相同大小的力,主动驱动器的体积要比被动驱动器大得多,由此造成驱动机构的惯量、摩擦力都比较大,也容易造成较大的失真;(5)能耗较大,一个电机驱动的小型商业化力反馈操纵杆对操作者施加连续的力消耗功率达到10~30瓦,而一个台式的力交互设备消耗的能量将更多,因此需要配备外部电源适配器,使设备的便携性大打折扣,这也是主动力觉交互设备设计中一个很大的问题。为此,美国达特茅斯学院Matsuoka 等人利用磁粉制动器研发了一种6自由度被动式力交互装置[38],该交互装置能够保持较好的稳定性、安全性和较低的能耗,但因为反馈力的产生完全依赖于机械接触,所以当使用快速开关控制器控制时容易造成系统的振动,模拟肌体组织柔顺性存在很大难度。更有甚者,摩擦材料具有比较高的动摩擦系数,容易导致粘滑现象发生,这种现象能够造成反馈力的不连续,使模拟过程出现失真。

    磁流变液是一种具有发展前途和工程应用价值的新型智能材料。性能良好的磁流变液在磁场的作用下能产生明显的磁流变效应,即在液态和半固态之间进行快速可逆的转化[39],只要对施加于磁流变液上磁场精确控制并设计出相应的力传动机构,将可应用于力触觉交互装置实现大范围的力触觉再现,因力是通过液体的传动而更具稳定性,因此能够应用于虚拟手术力触觉交互装置实现肌体组织柔顺性特征的高保真模拟。Enzo Pasquale Scilingo等人已经通过实验验证了磁流变液在不同强度的磁场作用下可以模拟不同肌体组织的柔顺性[40]。意大利Pisa 大学的研究学者们利用磁流变液设计出一个能够模拟虚拟物体的形状和柔顺性的新型力触觉交互装置[41]。日本的Teppei Tsujita等人利用磁流变液研究开发了用于实现对肌体软组织切割再现的力触觉交互设备[42]。

    被动式力觉交互装置具有稳定性好、安全性高以及体积小、重量轻、机械惯量小及能耗小等优点,但无法模拟储能物体如弹性体。尽管磁流变液能够较好的模拟粘滞性物体,但人的肌体组织同时具有弹性和粘滞性,Enzo Pasquale Scilingo等人使用磁流变液模拟的肌体柔顺性与真实的肌体组织柔顺性还存在着一定的差别。另外,利用被动驱动器设计的力触觉交互设备存在一定的非有益综合阻尼力,美国Rutgers 大学的Scott H Winter 等人利用磁流变液设计的一种被动式力反馈数据手套,其摩擦力超过1N [43],被动力触觉交互设备固有的不足使得这些非有益综合阻尼力无法得到补偿,因此无法模拟小于其非有益综合阻尼力的力,如在模拟无约束空间运动时产生失真。

    4 虚拟手术训练交互装置的发展趋势

    利用主动驱动器补偿被动力触觉交互设备的非有益综合阻尼力是一个较好的解决方案,也有效地解决了被动力触觉交互装置模拟储能元件问题,因此,基于主/被动驱动器的力触觉交互装置能够有效地提高力触觉交互的保真度,为虚拟手术力触觉交互技术开拓一片广阔的研究空间。目前,有部分学者致力于主/被动混合驱动的虚拟手术力触觉交互设备的研究,如瑞士的Evren Samur 等人利用电机/磁粉制动器系统用于结肠镜检查模拟,使触觉交互装置能够在较大的力范围内工作[44],Dominique Chapuis等人将超声波电机与电流变液制动器混合制动器用于介入核磁共振力觉交互中[45],Reuben Brewer利用电机/铝-铝差动摩擦机构混合驱动器设计一个3自由度力觉交互设备[46]。但不管是基于磁粉制动器还是铝-铝差动摩擦机构开发的混合驱动器,都因其是直接机械接触而很难模拟肌体组织的柔顺性。电流变液也是一种液体智能材料,其性能与磁流变液相似,但因电流变液的屈服应力比磁流变液小近两个数量级,因此由其研制的力交互装置能够模拟的力范围相对较小,并且电流变液的性能稳定很差,目前还没有商业化的产品,另外电流变液的流变效应需要施加很高强度的电场,这可能对操作者产生伤害,因此电流变液作为功能材料应用于虚拟手术的力触觉交互设备受到很大限制。

    在真正的手术中,将针刺入血管或用手术刀切开肌体组织时,肌体会产生阻力,训练者正是从阻力中获取“触感”并积累经验,磁流变液作为一种优秀的液体智能材料,在磁场作用下具有很大的屈服应力,并且因能够精确控制其在液-固两相之间快速转换,所以基于磁流变液的被动力触觉驱动器对于模拟肌体柔顺性具有得天独厚的优势,再将基于磁流变液的被动力触觉驱动器与主动驱动器相结合,研制成主/被动混合驱动器,将使力触觉交互设备在较大范围内高保真地模拟对人体各种组织(包括硬组织和柔顺性组织)手术过程,如利用主动驱动器补偿磁流变液驱动器的非有益综合阻尼力、模拟弹性物体和扩大被动驱动器力反馈范围,利用被动驱动器模拟肌体组织的柔顺性和粘滞性等。混合驱动器能够有效地解决主动驱动器或被动驱动器存在的一系列问题,如安全稳定差、体积大、机构复杂、机械惯量和摩擦力大、能耗高及无法模拟弹性物体、无法补偿非有益综合阻尼力等问题,使得力触觉交互设置更加透明并更具保真性,故基于混合驱动器的虚拟手术力触觉交互装置的研制具有重大的意义。

    另外,实际手术中,大部分手术过程需要双手协作完成,目前的虚拟手术系统大多数采用单个力触觉交互设备,亦即采用单手操作,而双手协作操作更贴近实际,虚拟手术中基于双手操作能使操作者感觉更真实,因此对采用不同结构、具有不同功能的力触觉交互装置实现操作者双手协作完成虚拟手术的研究具有重要的意义和应用前景。

    5 结论

    综上所述,基于虚拟现实的手术训练系统为帮助外科医生更多地参与手术训练提供了较好的解决方案,力觉交互装置在提高训练效率和水平中起着关键性作用,目前用于手术训练的力觉交互装置得到了快速的发展,但仍然存在着许多问题,以基于液体智能材料与主动驱动器的混合驱动器开发手术训练力觉交互装置,能够高保真地模拟对肌体组织的手术过程,将具有广泛的应用前景。

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标签:手术医学力反馈
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