Ni CompactRIO 硬件平台控制的高精 度机器人设备用于脑 瘤手术 由于 CompactRIO 硬件平台及其灵活的 编程环境，目前的解 决方案比原来的原型 设计更合理，可靠和 有效率。 - V. Zanotto, DIEGM - Universit di Udine The Challenge: 创建一个高精度的监 督和控制系统，该系 统能够在微创神经外 科中，安全地移动机 器人。 The Solution: 使用NI CompactRIO 平台开发一个安全 的、统更合理、更灵 活且更可靠的高性能 机器人控制系统。 立体定向放射头盔 Author (s): V. Zanotto - DIEGM - Universit di Udine A. Gasparetto - DIEGM - Universit di Udine A. Rossi - DIMEG - Universit di Padova P. Boscariol - DIEGM - Universit di Udine P. Gallina - Dipartimento di Neurochiururgia - UNIVERSITA DI FIRENZE N. Di Lorenzo - Dipartimento di Neurochiururgia - UNIVERSITA DI FIRENZE 机器人设备应用于医 疗行业已有40多 年，目前研究人员仍 然在不断致力于开发 出更加有效、安全的 医用机器人。有的工 作站由于环境恶劣等 缘故而只能由机器人 进行操作，相比于这 些工业机器人，医用 机器人的工作必须与 病人和医务人员进行 直接接触。因此，医 疗领域使用的机器人 对安全性能的要求比 工业领域更为复杂和 严格。 这一挑战对于神经外 科表现尤为明显 因为在手术中，需要 要求极高的精确度来 定位外科手术工具。 机器人可以比最有经 验的神经外科医生实 现更高的精确度和重 复性。然而，他们不 能对危险和突发事件 作出及时和自主的响 应。 神经外科触觉设备 由于外科医生不能将 整个手术操作过程委 托给一个机器人，因 此最佳的机器人解决 方案由主/从工作方 式来实现。外科医生 指定一个动作给机器 人设备，然后机器人 移动手术仪器进行精 确定位。 由于这一主/从工作 方式，外科医生不能 直接与仪器接触，他 们通过能重现人工手 术操作中所有特有感 觉的特殊传感器，与 手术操作过程保持一 定程度的连接。这些 被称为触觉设备的传 感器能在指令设备上 重现力量感觉。该解 决方案使机器人的工 作安全状况大大提 高，因为机器人的所 有动作都由外科医生 合理进行控制。 机电一体化与医用机 器人和触觉主/从机 器人系统协同工作已 经超过10年，它也 担负起开发微创神经 外科手术机器人应用 控制系统的挑战。在 此应用中，手术工具 是一个肿瘤病变治疗 的特殊设备，该设备 被称为光子放射外科 系统ZEISS （PRS）。 PRS系统是一个低 能量X-射线微型 源，从插入颅腔中的 探针头上发出辐射。 PRS允许外科医生 对肿瘤病变限定辐射 量，以避免辐射线与 脑组织的正常良好区 域接触。这种治疗方 式是微创性治疗，因 为探头从直径只有3 至7毫米大小的洞中 穿过。就病人的脑损 伤和后期手术恢复方 面而言，微创性治疗 具有很大的优势。 以前，外科医生必须 通过定位被称为 立体定向头盔的金属结构上的设 备，进行PRS系统 的手动控制（如图 1）。发射探头通过 齿条传动穿过颅腔。 金属结构作为定位神 经外科手术仪器的三 维参考。然而，人工 控制不能提供较高的 定位精度，并且其功 效在PRS系统应用 中仅局限于并不多见 的球形肿瘤。 用于神经外科的线性 驱动器（ LANS） 我们将注意力集中在 把PRS系统的应用 扩展到更为常见的椭 圆肿瘤病变的病人。 辐射量必须沿肿瘤病 变的主轴进行分布， 从而使辐射球形范围 可以覆盖到整个肿瘤 病变区。由于执行该 动作需要一定的精 度，因此需要用到机 器人系统。所以，我 们开发了用于神经外 科的线性驱动器 (LANS)。 神经外科线性驱动器 是一个机器人设备， 用于在触觉主/从操 作过程中以线性方式 移动PRS微型源。 研究人员使用一个来 自英国的商业机器人 NeuroMate， 作为LANS的空间 定位器。这样使得手 术进展过程中微型源 的轴，沿着肿瘤病变 的主轴移动（如图 2）。外科医生决定 着颅腔内探头的运 动。 使用神经外科线性驱 动器，外科医生可以 感受到探头和脑组织 间的相互作用力，并 相应地作出反应。此 外，为了提高手术操 作过程中的定位精确 度，一个适当的虚拟 环境可以在手术操作 过程中的每个阶段引 导外科医生。 用于自动机器人控制 的 CompactRIO 硬件平台 整个触觉主/从机器 人系统的控制系统在 管理手术过程中需要 更高的坚固性和可靠 性。第一个原型设计 是用几个自制的控制 装置创建而成，保证 了控制冗余度和必要 的安全状况。然而， 原型设计具有一定局 限性体积大，缺 乏便携性，以及需要 大量的时间对控制和 监督模块进行编程。 我们使用 CompactRIO系统和 CompactRIO I/O模块来解决这 些问题。我们使用 CompactRIO 来创建控制器，实时 地管理1千赫兹控制 回路的主/从系统。 冗余控制系统包含两 个现场可编程门阵列 （FPGA）应用程 序，用于监控和监督 整个手术操作过程， 并且当系统检测到紧 急情况时，该应用程 序会进行干预。 1/5由于CompactRIO硬件平台及其灵活的 编程环境，这一解决 方案比原来的原型设 计更精简，更可靠和 更有效率。目前，新 的系统正在优化，研 究人员将在不久的未来开始临床前的试 验。Author Information: V. Zanotto 立体定向放射头盔 2/5机械手包含一个神经 外科(lan)线性 驱动器 3/54/5手术室实验测试 Legal This case study (this case study) was developed by a National Instruments (NI) customer. THIS CASE STUDY IS PROVIDED AS IS WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND AND SUBJECT TO CERTAIN RESTRICTIONS AS MORE SPECIFICALLY SET FORTH IN NI.COMS TERMS OF USE)5/5