一个年代作为人工智能技术的一部分，机器人系统正随着高科技的发展而迅速发展。第一个用于外科手术的机器人是PUMA 200(西屋电气)，它在1985年完成了一次神经外科活检。1然后，其他外科学科，如心脏外科、腹部外科和泌尿外科，导致了机器人手术和新的机器人系统的繁荣，如达芬奇(直觉外科公司)和宙斯(计算机运动)机器人手术系统。2
虽然第一个机器人手术是神经外科手术，但机器人在神经外科中的应用并不像在其他学科中那样全面。开云体育app官方网站下载入口一些研究还表明，达芬奇这样的机器人不适合神经外科手术，尤其是颅内手术;开云体育app官方网站下载入口3.神经外科所涉及的有限空间和脆弱的脑组织可能会阻碍手术机器人的应用。开云体育app官方网站下载入口因此，大多数机器人系统用于活检和立体定向手术4或设计为方便观看，其中有著名的系统，如Neuroarm (MDA, Inc.)，5Neuromate (Renishaw, Inc.)，6罗莎(Zimmer Biomet)，7MKM微观系统(蔡司AG)，8，9ROVOT-m (Synaptive Medical, Inc.)，10CyberKnife (Accuray, Inc.)，11Remebot(北京百汇维康科技有限公司)。12
手术机器人可分为以下三种类型:13，141)监督控制系统，外科医生根据病人的诊断成像在计算机模型上预先确定计划，并下载计划以监督机器人执行手术计划;2)远程手术系统，允许外科医生实时操作(通过手术器械的力反馈，外科医生在触觉界面上操作，手术机器人复制外科医生的动作);3)共享控制系统，其中机器人系统协助并提供稳定的手操作仪器。与前两种类型相比，第三种类型的手术机器人研究较少。然而，机器人助手可以很方便，因为它增加了灵活性，减少了人手的颤抖，确保了更准确和更安全的操作。15这类机器人系统的一个典型例子是握住手术器械或让人的手和手臂休息。16日至18日例如，Rachinger和同事介绍了一种用作仪器支架的机器人系统13基于名为Evolution 1的机器人;19早期的机器人在导航支持的蝶窦手术中被用作内窥镜支架。
在内窥镜或外窥镜神经外科手术中，稳定、灵活地握住笨重的设备是对开云体育app官方网站下载入口神经外科医生的要求。通常，外科医生用一只手拿着设备，用另一只手操作器械，这很快会导致疲劳，限制了外科医生的操作能力，14从而降低了手术过程中的稳定性和安全性。有时助手会拿着设备支持外科医生，20.这需要外科医生和助手之间的完美协调，一种多年来共同工作形成的合作关系。虽然人工入路通常不能提供稳定和合适的手术视野，但手持装置可以作为人手的合适替代品，其最重要的优点是稳定性。21，22
然而，当在端口手术中使用透明护套时，保持装置的调整增加了本已繁琐的程序的复杂性和难度。为了将护套调整到另一个手术点，外科医生必须首先松开固定系统，取下瞄准镜，解锁夹紧护套的牵开器，并调整护套。之后，需要重新锁紧夹具和端口护套，重新定位瞄准镜，紧固瞄准镜的固定系统。最大的障碍不是复杂，而是很难将瞄准镜重新定位到正确的点和角度，以显示清晰和完整的视野。22我们开发了一种具有机器视觉跟踪系统的新型协作机器人(CoBot)系统，以简化这些手术过程。在本文中，我们报告了该系统的可行性和准确性的初步评估。
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CoBot系统
该CoBot系统主要由机电臂和3D摄像机(图1)．该机械电子臂为UR5 (Universal Robots)，是一种轻型、适应性强的协作工业机器人，可以极大的灵活性解决中等任务应用。它有6个自由度，重18.4公斤，有效载荷5公斤，占地直径149毫米，到达850毫米，精度为±0.1毫米。专利技术可以让没有编程经验的操作人员在数小时内快速安装系统，随后使用易于使用的触摸屏平板电脑进行操作。此外，德国技术检查协会批准并认证了该系统的安全性，这是手术机器人的首要安全要求。机器人相机Basler acA2440-20gm GigE (Basler AG)，精度为0.0694毫米，视野为150 × 170毫米，是该CoBot系统的眼睛，固定在机电臂的前部。其分辨率为2448像素× 2048像素，像素尺寸为3.45 μm × 3.45 μm。我们与WEILINKRT公司合作，设计了一个程序，使摄像头能够识别端口护套上特定标记的形状或图案，从而识别空间位置，帮助机器人在端口倾斜或旋转时精确地将握持外窥镜对准端口的纵轴。
机器人系统的构造。的黑色箭头为机器人摄像机，Basler acA2440-20gm GigE (Basler AG)白色箭头表示机械臂UR5 (Universal Robots)。
护套和模型
基于我们的专利闭孔器和透明护套第23 - 25(专利号201210066281.1，维克多医疗器械有限公司)，我们对护套进行了两次修改，以方便相机的识别和测试。在这两个版本的上开口处，都增加了一个中心中空的圆形面，我们在上面贴了一张纸，上面写着一个字符串“ABCDHKM STVWXYZ”，这有助于相机识别和学习。在版本1的管子内部，我们增加了两个间隔为2cm的切片。在每个切片的中心，创建一个直径2毫米的孔(图2A和C)，而在版本2的底部，我们粘贴了一张图案为(图2B和D)．修改后的护套是3d打印的样品(UnionTech Lite600)，由夹具和支架稳定。在测试过程中，我们通过调整夹紧器和夹紧器改变了护套小面方向。
两个版本的修订鞘。答:版本1的顶部开口(在测试1中使用)。B:版本2的顶部开口(在测试2和3中使用)。C:版本1的底部(用于测试1)。D:版本2的底部(在测试2和3中使用)。
高清晰外视镜和激光测距仪
我们使用高分辨率外视镜(HUIBOSHI Technology)捕捉图像，用于评估定位结果。大小和焦点可以调整，以显示图像中的细节。
使用激光测距仪，测量误差为±2mm，测量了探测器尖端与护套内第一层之间的距离，并证明了机器人系统的同轴对准。
程序和测量
测试1
视频1。演示同轴对准和定位精度的测试。版权归陈晓雷所有。已获授权发布。点击在这里查看。
答:同轴对齐测试说明。B:测试2的设置。的厚实的黑色箭头表示机械臂厚厚的白色箭头表示持有者黑色细箭头表示机器人摄像机，而白色细箭头表示高清摄像头。C:测试3中使用的高清摄像机和支架。
成功定位率被认为是激光成功通过孔的比例。此外，我们记录了机器人精确定位测距仪时激光测距仪显示的实际高度读数。实际高度是finder尖端和护套第一层之间的距离。然后我们计算高度误差，即实际高度与系统放置查找器的设置高度之间的差值。误差用平均值和标准差表示。
测试2
测试3
第三个试验旨在将该固定装置与机器人系统进行比较，并模拟一般的端口手术。测试3与测试2相同，只是用金属固定臂代替机械臂作为高清摄像机的支架(图3 c)．设置完成后，我们通过调整护套方向开始测试程序，然后启动计时器。首先，操作者X将护套的方向改变为在端口手术中可能遇到的位置。接下来，操作员Z手动将高清外外镜定位到合适的位置，扣好支架上的锁，并调整图像大小和对焦，随后操作员X将摄像头在笔记本电脑上传输的图像进行截图。我们将这些步骤重复20次，收集20张图像进行分析。计时器在最后一次截屏时停止。
三名研究人员(Z.G.， Z.Q.和M.L.)对研究设计不知情，在评估了高清摄像机拍摄的图像后，评估了四个陈述:1)模式被清晰地展示出来，代表清晰。2)图案位于顶部开口的中心，代表同轴对齐。3)图案位于视野中心，代表位置。4)视野稳定舒适，代表舒适。
研究人员使用李克特5分制对每个陈述进行评分代谢途径(从1到5分，1 =非常不同意，5 =非常同意)来评估每张图像。每个语句的得分被聚合成每张图像的总分。我们使用中位数和四分位极差来证明统计描述结果26，29每次测试20张图片的分数。最后，我们使用IBM SPSS Statistics version 25 (IBM Corp.)，通过两个独立样本的秩和检验比较不同测试中图像的得分。p值< 0.05为有统计学意义。
结果
测试1
该机器人系统成功地将激光测距仪放置在所有20发子弹中，这表明在平行于护套开口的平面上具有较高的定位精度和令人满意的同轴对齐。系统的设定高度(探头尖端与护套第一层之间的距离)为380.00 mm。平均高度误差±标准差分别为1.14 mm±0.38 mm(向下)和1.60 mm±0.89 mm(向上)，分别为2.00 mm和3.00 mm。
测试2
每个研究人员的图像评级显示在表1．20张图像的平均总分为17.00(范围16.70-17.30)。对于每个语句，其清晰度为4.30 (IQR 4.00-4.30)，同轴对齐为4.30 (IQR 4.08-4.30)，位置为4.30 (IQR 4.30 - 4.30)，舒适性为4.30 (IQR 4.08-4.30)。测试2总共花了20分钟，平均每轮1分钟。图4显示了用高清外视镜拍摄的典型图像。
每个研究人员对测试2中的图像的评分
| 研究员 | 清洁度 | 同轴对齐 | 位置 | 乘坐舒适性 | 总计 |
|---|---|---|---|---|---|
| 马丁 | 4.00 (3.00 - -4.00) | 4.00 (4.00 - -4.00) | 4.00 (4.00 - -4.00) | 4.00 (3.25 - -4.00) | 15.50 (14.25 - -16.00) |
| q。 | 5.00 (5.00 - -5.00) | 5.00 (5.00 - -5.00) | 5.00 (5.00 - -5.00) | 5.00 (5.00 - -5.00) | 20.00 (20.00 - -20.00) |
| 动物园 | 4.00 (4.00 - -4.00) | 4.00 (4.00 - -4.00) | 4.00 (4.00 - -4.00) | 4.00 (4.00 - -4.00) | 16.00 (16.00 - -16.00) |
| 总平均值(范围) | 4.30 (4.00 - -4.30) | 4.30 (4.08 - -4.30) | 4.30 (4.30 - -4.30) | 4.30 (4.08 - -4.30) | 17.00 (16.70 - -17.30) |
除非另有说明，值代表中位数(IQR)。
测试2中使用高清摄像机拍摄的典型图像。
测试3
表2说明每个语句的评级。20张图片的平均总分为14.00(范围13.00-14.93)。对于每个陈述，结果为清晰度为3.85 (IQR 3.30 - 4.30)，同轴对齐为3.30 (IQR 3.30 - 4.30)，位置为3.00 (IQR 2.40-3.30)，舒适度为3.70 (IQR 3.00 - 3.70)。测试3共耗时52分钟，平均每轮2.6分钟。图5显示典型的图像与高清晰度相机。
每个研究人员对测试3中的图像的评分
| 研究员 | 清洁度 | 同轴对齐 | 位置 | 乘坐舒适性 | 总计 |
|---|---|---|---|---|---|
| 马丁 | 4.00 (2.25 - -4.00) | 2.00 (2.00 - -4.00) | 2.00 (2.00 - -4.00) | 3.00 (2.00 - -3.00) | 11.00 (9.25 - -12.75) |
| q。 | 5.00 (4.25 - -5.00) | 5.00 (5.00 - -5.00) | 4.00 (2.00 - -4.75) | 5.00 (5.00 - -5.00) | 18.00 (16.25 - -19.75) |
| 动物园 | 3.00 (3.00 - -4.00) | 3.00 (3.00 - -4.00) | 3.00 (2.00 - -3.00) | 3.00 (2.25 - -3.00) | 12.50 (10.25 - -14.00) |
| 总平均值(范围) | 3.85 (3.30 - -4.30) | 3.30 (3.30 - -4.30) | 3.00 (2.40 - -3.30) | 3.70 (3.00 - -3.70) | 14.00 (13.00 - -14.93) |
除非另有说明，值代表中位数(IQR)。
测试3中使用高清摄像机拍摄的典型图像。
测试2和测试3的比较
对于每张图像，计算三位研究人员的平均分。接下来，我们比较了两组图像的得分。比较总分的秩和检验p值< 0.001，说明两组图像质量有显著差异。清晰度(p = 0.003)、同轴对齐(p = 0.002)、位置(p < 0.001)和舒适度(p < 0.001)亚组分析也显示两组间有显著差异。
讨论
我们的新型CoBot系统可以作为端口手术的瞄准镜保持系统，具有较高的精度，与传统的瞄准镜保持器相比，具有更强大的定位能力。
该机器人是专为端口手术使用我们的专利闭孔和透明套。它在一定程度上取代了外科医生的助手，并离开了外科医生的主导地位。使用我们的CoBot，外科医生只需要操作端口护套，因此可以用双手操作。同时，CoBot自动调整瞄准镜到最佳位置，保持恒定距离，以获得清晰的焦点;这样可以节省大量的时间和精力。
机器人瞄准镜握住系统已经被引入神经外科。开云体育app官方网站下载入口30.然而，这些系统依赖于导航系统来跟踪或使用控制器被动工作。13，19，31其中大多数是集成平台，将瞄准镜、导航和机械臂合并为一个整体。10此外，像ROSA和NeuroMate这样的系统既笨重又昂贵，这阻碍了它们在手术室中的集成。32我们的一项突破是，我们的无系绳CoBot系统可以在没有导航系统的情况下工作，自动跟踪护套本身，从而主动显示手术野。它的紧凑和便携性也有利于它在普通手术室的整合，并扩大了它在一些特殊情况下的应用，如在战争期间。此外，该系统可与各种型号和品牌的瞄准镜配套使用，自主设计的程序是我们机器人系统的核心，可与不同的机械臂和相机相匹配。这两个特性都扩展了该系统的潜在应用。此外，通过对CoBot系统的实验条件和设备，我们能够证明和评估其可行性和定位精度。
在测试1中，激光成功地通过两个中心孔，反映了良好的同轴对齐和定位。20轮定位成功率100%。平均高度误差为1.14 mm(向下)，2 mm处误差最显著，1.60 mm(向上)，3 mm处误差最显著，我们认为这反映了端口手术的较高精度。
对于瞄准镜保持系统，同轴对准比某一点的定位误差更重要。然而，对瞄准镜保持系统的研究很少关注同轴对准。由于同轴对准难以直接测量，且测试条件有限，需要专业设备，我们使用激光对同轴对准进行定性证明。护套版本1的中轴线上有两个孔。当激光探测仪代替瞄准镜时，激光代表瞄准镜的中轴线。因此，如果激光与护套的中轴对准，光就可以穿过小孔到达测试平台，这可以很容易地从可见光斑中确定。虽然它是定性的，但它尽可能地避免了人为测量误差。在之前的初步研究中，我们尝试了其他定量方法来测量误差，但开云体育世界杯赔率结果令人失望。我们当前方法的另一个优点是，光的通过可以确保垂直测量高度，这是我们在之前的试点研究中发现难以正确定义和测量的。
试验2和3模拟外窥镜端口手术。在测试3中，两名操作员操作护套和瞄准镜支架，类似于端口手术的过程。操作员Z报告说，在调整支架的接头和将相机与护套对齐时困难和不方便。我们经常重新对焦、放大或缩小，这无法保证画面的稳定。此外，鞘面在显示器中的位置不完美，不断变化，我们盯着屏幕时感到很不舒服。然而，在测试2中，机器人系统提供了稳定的视野和较高的定位精度，为我们带来了便利，如果设置了最佳位置，我们不需要重新聚焦和缩放。这两次测试的结果是用高清相机拍摄的40张图像。由于在评估手术镜成像质量的方法上没有共识，我们设计了一个包含四个方面的量表，由三位对研究设计和过程不知情的研究人员打分。这四个陈述反映了瞄准镜保持系统的四个要素:提供清晰的视野、同轴对齐、正确的位置以及舒适性和稳定性。我们的对比结果表明，由机器人系统放置的相机拍摄的图像具有更高的质量，这意味着“CoBot”可以合理地为手术提供合适的视野。 Test 3 took 52 minutes in total for operating 20 rounds, and for each round, the average time was 2.6 minutes, whereas the manipulation of the robotic system (test 2) only took 20 minutes (1 minute for each round). Although we did not compare time statistically, the difference in minutes suggests that we saved a considerable amount of time using the robotic scope holding system.
虽然我们设计这个系统是为了移植手术，但它的容量还有很大的潜力。通过其鲁棒算法可以实现面部识别，使机器人系统成为具有面部注册的导航系统成为可能。自动持有和放置设备的能力可能使其用于一般内窥镜和其他类型的手术，甚至其他手术领域。此外，该系统从无序产品中识别特定物体的能力可以转化为外科助理和仪器护士的替代品。所有这些都为该机器人系统在医疗领域的应用提供了广阔的前景。
值得一提的是，本研究是将工业机器人应用于神经外科的一次成功尝试。开云体育app官方网站下载入口据我们所知，很少有研究尝试将工业机器人用于颅内手术。这种工业机器人已经被引入到放射外科、脊柱外科和耳外科等其他领域。33-37尽管之前的一项研究认为，工业机器人在外科手术中的应用可能是复杂的，38我们相信，适当和彻底设计的工业机器人转化研究可以挖掘手术机器人更多的潜在用途，并简化手术过程。
然而，虽然机器人可以完成将内窥镜模型插入鞘内的功能，但受限于我们的测试条件，我们没有在模拟内窥镜手术中测试它的性能。图像评价中的人为误差不容忽视。在未来的研究中，我们必须完善测试过程和条件，以便在内窥镜端口手术的背景下研究机器人。对于该系统的临床应用，进一步的安全测试正在进行中，以确保CoBot在与任何物体碰撞时能够立即刹车。我们在机械臂关节中添加了力传感器;这些传感器以前用于工业版的CoBot。有了这些传感器，当机械臂遇到阻力> 1 N (102 g)时，就会停止运动。这些安全措施在工业应用中非常有效。我们现在正在我们的系统中采用这项技术。此外，我们希望在验证CoBot系统的安全性后，进行小样本病例的临床可行性研究。
结论
我们新开发的CoBot系统可以作为一种高效的端口手术器械握持系统，为替代人手提供了进一步的证据，并导致更人性化，更精确，更安全的操作。
致谢
本研究由国家重点研发计划项目(No. 2018YFC1312602)和国家自然科学基金项目(No. 81771481)资助。
我们要感谢WEILINKRT公司陈小川先生和邓志伟先生对机器人系统项目开发的支持。我们感谢WEILINKRT公司的杨帅锋先生、邢天佑先生和刘鹏先生在测试1和2中协助操作机器人系统。
披露的信息
作者报告在本研究中使用的材料或方法或本文中指定的发现没有利益冲突。开云体育世界杯赔率
作者的贡献
构思与设计:陈。数据采集:Xiong, S Zhang, Gan, Qi, Liu。数据分析与解释:熊。文章起草人:熊。文章的批判性修改:陈，熊。审阅投稿稿:陈、熊。最终审定稿代表所有作者:陈。统计分析:熊。行政/技术/物资支持:陈。研究指导:陈，徐，王，张J，李。
