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得克萨斯州A&M研究人员帮助机器人手臂稳定地进行手术

时间:2020-05-11 来源:机器人在线 阅读:5063

在对大脑或毛细血管等精细脆弱结构做手术时,稳定的手部控制力和不间断的清晰视线是非常重要的。虽然外科手术摄像机已经改善了外科医生在手术过程中所看到的东西,但 "稳定的手 "仍有待加强,一些手术技术,包括复杂的外科医生引导的机器人机械手,在靠近精细组织进行手术时,无法避免意外伤害。



近期发表在《Scientific Reports》杂志上的一项新研究中,美国德克萨斯农工大学的研究人员表示,通过向指尖传递微小但可感知的嗡嗡声电流,可以让用户准确感知到接触的距离。这种方式使用户能够精确地控制他们的机器人手指实现无意外伤害的准确操作。研究人员认为,这项技术可能是帮助外科医生在机器人辅助手术过程中减少意外伤害的有效方法。


"机器人手指所面临的挑战之一是确保能够精确地控制它们,使其足够柔和地接触到生物组织上,"电子和计算机工程系助理教授Hangue Park说。"有了我们的设计,外科医生将能够直观地感知到他们的机器人手指离生物组织的距离有多远,然后他们可以利用这些信息,用恰到好处的力道去触摸精细又脆弱的组织。"


机器人辅助手术系统,是外科医生的物理延伸。通过控制机器人手指的运动,外科医生可以通过自己的手指运动来控制机器人的手指,远程执行复杂的手术,从而扩大了外科医生可以为患者提供医疗服务的范围。此外,机器人手指的体积很小,意味着手术的切口可以更小,因为外科医生在手术过程中不需要在病人的身体上做大的切口。


为了精确地移动机器人手指,外科医生依靠安装在机器人手臂上的摄像头提供的实时视觉信息。因此,他们通过监控器,将自己的手指动作与机器人手指的动作进行匹配。通过这种方式,他们知道他们的机器人手指在空间中的位置,以及这些手指之间的距离有多近。


然而,Park指出,仅靠视觉信息还不足以指导手指的精细动作,当手指靠近大脑或其他脆弱组织时,这一点至关重要。


"外科医生只能间接地知道他们的实际手指之间的距离有多远,也就是说,通过在监视器上看他们的机器人手指相对于彼此的位置,"Park说。"这种间接的观察会降低他们对实际手指之间的距离感,从而影响到他们控制机器人手指的方式。"


为了解决这个问题,Park和他的团队想出了一种独立于视觉反馈的方式来传递距离信息。将不同频率的电流通过装有刺激探针的手套传递到指尖,研究人员就能够训练用户将电流脉冲的频率与距离联系起来,也就是说,电流频率的增加表示与测试物体的接近距离。然后,他们比较了接受电流刺激的用户是否比那些只接受视觉信息的用户在估算距离时效果更好。


Park和他的团队还根据用户对电流频率的敏感度,对他们的技术进行了调整。换句话说,如果用户对电流频率的敏感度较高,那么在传递距离信息的时候,就会以较小的电流递增步数来传递距离信息,以最大限度地提高距离估计的准确性。


研究人员发现,接受电脉冲的用户对底层表面的接近度有更强的感知能力,可以降低70%左右的接触力,表现远优于另一组。总的来说,他们观察到,通过温和的电脉冲传递的接近信息比单纯的视觉信息要有效约三倍。


Park说,他们的新方法有可能在手术过程中显著提高可操作性,同时最大限度地减少意外组织损伤的风险。他还表示,他们的技术在手术过程中几乎不会增加外科医生现有的心理负担。


"我们的目标是想出一种能够提高距离判断准确性的解决方案,而不增加这项任务所需的主动思考的负担,"他说。"当我们的技术在手术环境中使用后,医生将能够直观地知道他们的机器人手指离目标结构还有多远,这意味着他们可以只专注于如何提高手术效果。"

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