吳錦陽 綜述 張?jiān)娎?桂海軍 欒楠 沈國芳 審校

力觸覺反饋系統(tǒng)在現(xiàn)代數(shù)字化外科的應(yīng)用及研究進(jìn)展

吳錦陽 綜述 張?jiān)娎?桂海軍 欒楠 沈國芳 審校

通過將力觸覺反饋系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)代數(shù)字化外科，為醫(yī)用外科機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)模擬系統(tǒng)及遠(yuǎn)程外科提供力觸覺信息，可有效提高外科手術(shù)精確性和靈活性、增加手術(shù)安全性并縮短手術(shù)時(shí)間。本文對(duì)力觸覺反饋系統(tǒng)在現(xiàn)代數(shù)字化外科的應(yīng)用及研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

力觸覺反饋 數(shù)字化外科 外科機(jī)器人 虛擬現(xiàn)實(shí) 遠(yuǎn)程外科

力觸覺反饋系統(tǒng)目前在工業(yè)、航天航空、軍事、海洋資源開發(fā)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，可將機(jī)械所處的外界信息進(jìn)行融合后傳遞給操作者，實(shí)現(xiàn)人和機(jī)械的信息互動(dòng)。數(shù)字化外科，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖形圖像學(xué)、機(jī)械工程學(xué)等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)在外科學(xué)的集中體現(xiàn)，是一系列嶄新的交叉技術(shù)，包括醫(yī)學(xué)影像處理、三維重建及可視化技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer-aided design，CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer-aided manufacture，CAM）、手術(shù)導(dǎo)航（Surgical navigation）、外科機(jī)器人技術(shù)（Surgical robotics）、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) （Virtual reality，VR）、遠(yuǎn)程外科（Telesurgery）等。本文對(duì)力觸覺反饋系統(tǒng)在現(xiàn)代數(shù)字化外科的應(yīng)用及研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 概念

力觸覺反饋（Haptic feedback），是指肌肉、關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的力反饋和皮膚被物體接觸時(shí)產(chǎn)生的觸覺反饋。力觸覺反饋系統(tǒng)可以建立起人與機(jī)械、機(jī)器人以及虛擬環(huán)境之間的聯(lián)系，提供虛擬仿真的力觸覺信息，它的組成包括與工作區(qū)接觸并收集力觸覺信息的傳感器和給操作者傳遞力觸覺感覺并對(duì)目標(biāo)實(shí)行控制的操縱器。上世紀(jì)90年代，高仿真的力反饋系統(tǒng)已經(jīng)可以從 SensAble Technologies（Woburn，MA，USA）、Immersion（San Jose，CA，USA）等公司購買，但商業(yè)化的觸覺反饋系統(tǒng)至今仍未出現(xiàn)。

2 力觸覺反饋系統(tǒng)在數(shù)字化外科的應(yīng)用研究

2.1 力觸覺反饋系統(tǒng)與外科機(jī)器人

由于傳統(tǒng)外科手術(shù)存在技術(shù)方法的局限，如外科醫(yī)生的生理性或疲勞性手持器械抖動(dòng)誤差及操作熟練性差異等，為了充分暴露術(shù)區(qū)往往采用擴(kuò)大的手術(shù)切口，術(shù)中常需要使用影像檢查進(jìn)行定位或者驗(yàn)證，從而出現(xiàn)操作定位精度不足，手術(shù)切口較大、影響美觀，術(shù)中吸收輻射等不足之處。

為了解決傳統(tǒng)外科手術(shù)技術(shù)的局限性，自工業(yè)機(jī)器人面世以來，外科醫(yī)生與各領(lǐng)域的專業(yè)人員就開始思考和探討如何將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到外科領(lǐng)域。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)目前在外科手術(shù)中已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。在神經(jīng)外科，外科機(jī)器人能夠成功地進(jìn)行腦內(nèi)深部腫物活組織切片檢查、垂體腺瘤切除術(shù)、第三腦室造口術(shù)、腰椎椎間盤切除術(shù)等[1]；在骨科，進(jìn)行全髖關(guān)節(jié)、全膝關(guān)節(jié)置換時(shí)，利用外科機(jī)器人可對(duì)植入物的骨通道進(jìn)行預(yù)備[2-3]；在泌尿生殖外科，外科機(jī)器人已經(jīng)廣泛用于前列腺切除術(shù)、膀胱切除術(shù)、腎臟切除術(shù)、輸卵管吻合術(shù)、子宮肌瘤切除術(shù)[4-5]；在胸外科，利用外科機(jī)器人能夠?qū)υ缙诜伟┗颊唔樌剡M(jìn)行肺葉切除術(shù)[6]；在心臟外科，外科機(jī)器人可成功完成二尖瓣修補(bǔ)術(shù)和冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)[7]；此外，近些年外科機(jī)器人在耳鼻喉科的應(yīng)用也得到了很好的開展[8]。目前，已經(jīng)商業(yè)化并獲得FDA認(rèn)證的外科機(jī)器人系統(tǒng)有 da Vinci（Intuitive Surgical,Mountain View，CA，USA）、Zeus（Computer Motion，Goleta，CA，USA）、AESOP（Computer Motion，Santa Barbara，CA，USA）、Robodoc（Integrated Surgical Systems，Sacremento，CA，USA）、NeuroMate（Integrated Surgical Systems，Sacramento，CA，USA）、Minerva （University of Lausanne，Lausanne，Switzerland）等。 另外，還有很多用于實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人正在不斷改進(jìn)功能和提高安全性，功能完善的專業(yè)化外科機(jī)器人將會(huì)逐漸進(jìn)入臨床。

外科機(jī)器人技術(shù)包括術(shù)前采集、分析與處理醫(yī)學(xué)影像資料如CT、MRI、DSA、PET-CT等，對(duì)圖像進(jìn)行立體定向設(shè)計(jì)及虛擬手術(shù)規(guī)劃，術(shù)中在外科醫(yī)生的操作、監(jiān)控等輔助下，通過外科機(jī)器人的執(zhí)行而實(shí)現(xiàn)手術(shù)方案。然而，外科機(jī)器人雖具有操作精度高和穩(wěn)定性強(qiáng)等鮮明特點(diǎn)，但由于其工作末端無法將術(shù)區(qū)的力觸覺感覺真實(shí)和實(shí)時(shí)地反饋給外科醫(yī)生，嚴(yán)重地約束著外科機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。為了攻破這一難題，力觸覺反饋系統(tǒng)逐漸應(yīng)用并整合到外科機(jī)器人中。雖然聽覺反饋系統(tǒng)[9]和視覺反饋系統(tǒng)[10]在一定程度上可以幫助外科醫(yī)生了解術(shù)區(qū)組織的情況，但在手術(shù)可操控性上均無法替代力觸覺反饋系統(tǒng)[11-12]。Okamura[13]認(rèn)為整合了力觸覺反饋系統(tǒng)的外科機(jī)器人可以降低操作時(shí)的力量，從而減輕對(duì)術(shù)區(qū)周圍組織的損傷。Wagner等[14]將力/力矩傳感器安裝到內(nèi)窺鏡上，在尸體上進(jìn)行功能性鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)時(shí)測量周圍組織的力和形變情況，預(yù)測組織撕裂或穿破時(shí)的閾值，從而限制外科機(jī)器人的施力范圍，提高其安全性。最近，Kuchenbecker等[15]研制出VerroTouch力觸覺反饋系統(tǒng)，可以整合到da Vinci機(jī)器人系統(tǒng)的操作臂上，能實(shí)時(shí)地分析操作臂工作末端運(yùn)動(dòng)時(shí)的高頻率震動(dòng)并將其反饋給外科醫(yī)生。McMahan等[16]在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中證實(shí)VerroTouch力觸覺反饋系統(tǒng)可以將外科機(jī)器人對(duì)組織的力刺激減到最小。Jacobs等[17]指出，應(yīng)用力觸覺傳感系統(tǒng)后，可以縮短手術(shù)時(shí)間、提高精度及減少失誤。

由此可見，力觸覺傳感系統(tǒng)能夠加強(qiáng)外科醫(yī)生、外科機(jī)器人以及患者之間的緊密聯(lián)系，增強(qiáng)外科醫(yī)生的手術(shù)感覺，提高機(jī)器人的操作精度，減小患者的創(chuàng)傷，是外科機(jī)器人未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。

2.2 力觸覺反饋系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種模擬人視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，并可通過語言、手勢等自然方式與之進(jìn)行實(shí)時(shí)交互的高級(jí)多維信息技術(shù)。在外科領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于解剖學(xué)習(xí)和手術(shù)培訓(xùn)，也用于術(shù)前規(guī)劃和設(shè)計(jì)，能夠給操作者提供立體真實(shí)感和沉浸感。其優(yōu)點(diǎn)為沒有手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、不需直接地接觸患者并可反復(fù)練習(xí)。如今，醫(yī)療資源越來越緊缺，用于解剖學(xué)習(xí)的尸體非常有限，而為了保障患者的安全，外科住院醫(yī)生的臨床手術(shù)機(jī)會(huì)也非常少，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)則可以讓醫(yī)學(xué)生及外科初學(xué)者得到充分的練習(xí)機(jī)會(huì)。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要用于神經(jīng)外科[18]及微創(chuàng)外科[19]的培訓(xùn)。在口腔頜面外科，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也已經(jīng)用于種植體植入和正頜外科的培訓(xùn)[20－21]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用，需要將患者的醫(yī)學(xué)影像資料導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器中，經(jīng)過分析處理后模擬形成立體的“真實(shí)”患者，操作者可以通過操縱器對(duì)該患者進(jìn)行手術(shù)，而術(shù)區(qū)的情況可以通過傳感系統(tǒng)及顯示器實(shí)時(shí)地反饋給操作者。由此可見，力觸覺反饋系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器的重要組成部分，引起了很多學(xué)者的重視。Lemote等[22]研發(fā)的Immersive-Touch虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，整合了力觸覺反饋系統(tǒng)，在腦室切開術(shù)安置引流導(dǎo)管時(shí)可以將皮膚、骨骼及大腦的阻力和質(zhì)地反饋給外科醫(yī)生。Modi等[23]將力觸覺反饋系統(tǒng)整合到膝關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)手術(shù)模擬器中，可以有效地提高無經(jīng)驗(yàn)初學(xué)者的操作技能水平。Kusumoto等[20]將力觸覺反饋系統(tǒng)應(yīng)用到口腔種植手術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中，操作者能感受到磨削和鉆孔的力量，而且能實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作，預(yù)備后的種植體窩的位置誤差小于0.2 mm。如果缺少力觸覺傳感系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則不能實(shí)現(xiàn)對(duì)操作者進(jìn)行的有效培訓(xùn)，還可能產(chǎn)生負(fù)面影響[24]。而有的學(xué)者則提出，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，目前的力觸覺反饋系統(tǒng)在提高初學(xué)者的操作能力上尚未體現(xiàn)出其明顯的優(yōu)越性，性能更佳的力觸覺反饋系統(tǒng)仍有待開發(fā)[25]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)外科的發(fā)展帶來了重大的變革，在不久的將來可能逐漸取代傳統(tǒng)外科的教學(xué)和培訓(xùn)模式。然而，力觸覺反饋系統(tǒng)依然是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容，能夠讓醫(yī)學(xué)生及外科初學(xué)者更真實(shí)地熟悉解剖結(jié)構(gòu)及手術(shù)過程，不斷開發(fā)和應(yīng)用力觸覺反饋系統(tǒng)是進(jìn)一步推廣虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所需要解決的重要難題。

2.3 力觸覺反饋系統(tǒng)與遠(yuǎn)程外科

遠(yuǎn)程外科，是指外科醫(yī)生通過實(shí)時(shí)視頻圖像和控制臺(tái)，利用外科機(jī)器人對(duì)異地的患者進(jìn)行手術(shù)。隨著通訊技術(shù)蓬勃發(fā)展，結(jié)合越發(fā)成熟的外科機(jī)器人技術(shù)，遠(yuǎn)程外科也開始逐漸進(jìn)入臨床應(yīng)用。

2001年，美國紐約的外科醫(yī)生通過網(wǎng)絡(luò)連接操控法國斯特拉斯堡的外科機(jī)器人，成功地對(duì)一位女性患者進(jìn)行膽囊切除術(shù)，完成首例遠(yuǎn)程外科手術(shù)[26]。但是，遠(yuǎn)程外科存在因網(wǎng)絡(luò)延遲和數(shù)據(jù)包丟失所產(chǎn)生的操作誤差和意外。Suzuki等[27]開發(fā)了具有力觸覺反饋系統(tǒng)的遠(yuǎn)程外科模擬系統(tǒng)，能夠?qū)Ξ惖氐幕颊咂鞴倌Ｐ瓦M(jìn)行抓持和分離，有助于外科醫(yī)生熟練地掌握遠(yuǎn)程外科技術(shù)。Bhattacharjee等[28]應(yīng)用術(shù)區(qū)力預(yù)測系統(tǒng)，通過力傳感器提供力反饋信息，能夠有效地追蹤外科機(jī)器人工作臂的位置，使遠(yuǎn)程手術(shù)更加安全。Natarajan等[29]指出，力反饋系統(tǒng)在整合同步技術(shù)后可以更充分地發(fā)揮其作用，讓外科醫(yī)生能夠及時(shí)感知異地患者術(shù)區(qū)的力學(xué)信息，從而減少手術(shù)意外。Jones等[30]認(rèn)為力觸覺反饋可以提高遠(yuǎn)程手術(shù)的速度和安全性，設(shè)計(jì)并制作出整合力觸覺反饋系統(tǒng)的操作臂（SASHA），能夠?qū)ν饪茩C(jī)器人進(jìn)行更有效的控制。

因此，力觸覺反饋系統(tǒng)可以使遠(yuǎn)程外科培訓(xùn)更加有效，并且提高遠(yuǎn)程外科手術(shù)的效率和安全性，開發(fā)更為敏感的力觸覺反饋系統(tǒng)將會(huì)推動(dòng)遠(yuǎn)程外科的迅速發(fā)展。

3 展望

外科的發(fā)展趨勢是精確和微創(chuàng)。數(shù)字化外科的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，正是不斷追求精確和微創(chuàng)的具體表現(xiàn)。力觸覺反饋系統(tǒng)能夠?qū)⑼饪漆t(yī)生、手術(shù)器械以及術(shù)中患者實(shí)際情況緊密地聯(lián)系在一起，在數(shù)字化外科的發(fā)展過程中起到革命性地推動(dòng)作用。應(yīng)用力觸覺反饋系統(tǒng)，不僅能夠提高外科醫(yī)生的手術(shù)精確性和靈活性，保證患者的安全，縮短手術(shù)時(shí)間，更深層次的意義在于普及與推廣數(shù)字化外科的臨床應(yīng)用，讓更多的外科醫(yī)生熟練掌握數(shù)字化外科，造福廣大患者，讓患者以最小的創(chuàng)傷得到最精確合理的外科治療。

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Application of Haptic Feedback System in Modern Digital Surgery

WU Jinyang1,ZHANG Shilei1,GUI Haijun1,LUAN Nan2,SHEN Guofang1.1 Department of Oral and Cranio-maxillofacial Science,Shanghai Ninth People's Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,China;2 School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong U-niversity,Shanghai 200240,China.

ZHANG Shilei(E-mail：leinnymd@hotmail.com).

Haptic feedback;Digital surgery;Surgical robotics;Virtual reality;Telesurgery

R61

B

1673－0364（2012）04－0229－03

10.3969/j.issn.1673-0364.2012.04.014

上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目（11441902200）；上海交通大學(xué)醫(yī)工交叉研究基金（YG2011MS06）。

200011 上海市 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科（吳錦陽，張?jiān)娎祝鸷＼?，沈國芳）?00240 上海市 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院（欒楠）。

張?jiān)娎祝‥-mail：leinnymd@hotmail.com）。

【Summary】With the application of haptic feedback system in modern digital surgery,haptic information was able to be transmitted to surgical robotics,virtual reality surgical mimic system and telesurgery.This system could improve the surgical accuracy,dexterity,safety,and decrease the operative time.In this paper,the application and research progress of haptic feedback system in modern digital surgery were reviewed.

2012年5月4日；

2012年6月12日）