力触觉反馈系统在现代数字化外科的应用及研究进展

吴锦阳 综述 张诗雷 桂海军 栾楠 沈国芳 审校

力触觉反馈系统在现代数字化外科的应用及研究进展

吴锦阳 综述 张诗雷 桂海军 栾楠 沈国芳 审校

通过将力触觉反馈系统应用到现代数字化外科，为医用外科机器人、虚拟现实手术模拟系统及远程外科提供力触觉信息，可有效提高外科手术精确性和灵活性、增加手术安全性并缩短手术时间。本文对力触觉反馈系统在现代数字化外科的应用及研究进展进行综述。

力触觉反馈 数字化外科 外科机器人 虚拟现实 远程外科

力触觉反馈系统目前在工业、航天航空、军事、海洋资源开发等领域已得到广泛应用，可将机械所处的外界信息进行融合后传递给操作者，实现人和机械的信息互动。数字化外科，是计算机科学、图形图像学、机械工程学等领域的先进技术在外科学的集中体现，是一系列崭新的交叉技术，包括医学影像处理、三维重建及可视化技术、计算机辅助设计（Computer-aided design，CAD）、计算机辅助制造（Computer-aided manufacture，CAM）、手术导航（Surgical navigation）、外科机器人技术（Surgical robotics）、虚拟现实技术 （Virtual reality，VR）、远程外科（Telesurgery）等。本文对力触觉反馈系统在现代数字化外科的应用及研究进展进行综述。

1 概念

力触觉反馈（Haptic feedback），是指肌肉、关节等运动时引起的力反馈和皮肤被物体接触时产生的触觉反馈。力触觉反馈系统可以建立起人与机械、机器人以及虚拟环境之间的联系，提供虚拟仿真的力触觉信息，它的组成包括与工作区接触并收集力触觉信息的传感器和给操作者传递力触觉感觉并对目标实行控制的操纵器。上世纪90年代，高仿真的力反馈系统已经可以从 SensAble Technologies（Woburn，MA，USA）、Immersion（San Jose，CA，USA）等公司购买，但商业化的触觉反馈系统至今仍未出现。

2 力触觉反馈系统在数字化外科的应用研究

2.1 力触觉反馈系统与外科机器人

由于传统外科手术存在技术方法的局限，如外科医生的生理性或疲劳性手持器械抖动误差及操作熟练性差异等，为了充分暴露术区往往采用扩大的手术切口，术中常需要使用影像检查进行定位或者验证，从而出现操作定位精度不足，手术切口较大、影响美观，术中吸收辐射等不足之处。

为了解决传统外科手术技术的局限性，自工业机器人面世以来，外科医生与各领域的专业人员就开始思考和探讨如何将机器人技术应用到外科领域。随着医学影像技术、图像处理技术、计算机技术、机械工程技术的发展，机器人技术目前在外科手术中已经得到越来越广泛的应用。在神经外科，外科机器人能够成功地进行脑内深部肿物活组织切片检查、垂体腺瘤切除术、第三脑室造口术、腰椎椎间盘切除术等[1]；在骨科，进行全髋关节、全膝关节置换时，利用外科机器人可对植入物的骨通道进行预备[2-3]；在泌尿生殖外科，外科机器人已经广泛用于前列腺切除术、膀胱切除术、肾脏切除术、输卵管吻合术、子宫肌瘤切除术[4-5]；在胸外科，利用外科机器人能够对早期肺癌患者顺利地进行肺叶切除术[6]；在心脏外科，外科机器人可成功完成二尖瓣修补术和冠状动脉搭桥术[7]；此外，近些年外科机器人在耳鼻喉科的应用也得到了很好的开展[8]。目前，已经商业化并获得FDA认证的外科机器人系统有 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，还有很多用于实验的机器人正在不断改进功能和提高安全性，功能完善的专业化外科机器人将会逐渐进入临床。

外科机器人技术包括术前采集、分析与处理医学影像资料如CT、MRI、DSA、PET-CT等，对图像进行立体定向设计及虚拟手术规划，术中在外科医生的操作、监控等辅助下，通过外科机器人的执行而实现手术方案。然而，外科机器人虽具有操作精度高和稳定性强等鲜明特点，但由于其工作末端无法将术区的力触觉感觉真实和实时地反馈给外科医生，严重地约束着外科机器人技术的发展。为了攻破这一难题，力触觉反馈系统逐渐应用并整合到外科机器人中。虽然听觉反馈系统[9]和视觉反馈系统[10]在一定程度上可以帮助外科医生了解术区组织的情况，但在手术可操控性上均无法替代力触觉反馈系统[11-12]。Okamura[13]认为整合了力触觉反馈系统的外科机器人可以降低操作时的力量，从而减轻对术区周围组织的损伤。Wagner等[14]将力/力矩传感器安装到内窥镜上，在尸体上进行功能性鼻内窥镜手术时测量周围组织的力和形变情况，预测组织撕裂或穿破时的阈值，从而限制外科机器人的施力范围，提高其安全性。最近，Kuchenbecker等[15]研制出VerroTouch力触觉反馈系统，可以整合到da Vinci机器人系统的操作臂上，能实时地分析操作臂工作末端运动时的高频率震动并将其反馈给外科医生。McMahan等[16]在动物实验及体内实验中证实VerroTouch力触觉反馈系统可以将外科机器人对组织的力刺激减到最小。Jacobs等[17]指出，应用力触觉传感系统后，可以缩短手术时间、提高精度及减少失误。

由此可见，力触觉传感系统能够加强外科医生、外科机器人以及患者之间的紧密联系，增强外科医生的手术感觉，提高机器人的操作精度，减小患者的创伤，是外科机器人未来发展的一个重要方向。

2.2 力触觉反馈系统与虚拟现实技术

虚拟现实技术，是一种模拟人视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人沉浸在计算机生成的虚拟环境中，并可通过语言、手势等自然方式与之进行实时交互的高级多维信息技术。在外科领域，虚拟现实技术用于解剖学习和手术培训，也用于术前规划和设计，能够给操作者提供立体真实感和沉浸感。其优点为没有手术风险、不需直接地接触患者并可反复练习。如今，医疗资源越来越紧缺，用于解剖学习的尸体非常有限，而为了保障患者的安全，外科住院医生的临床手术机会也非常少，虚拟现实技术的出现则可以让医学生及外科初学者得到充分的练习机会。目前，虚拟现实技术主要用于神经外科[18]及微创外科[19]的培训。在口腔颌面外科，虚拟现实技术也已经用于种植体植入和正颌外科的培训[20－21]。

虚拟现实技术的使用，需要将患者的医学影像资料导入到虚拟现实模拟器中，经过分析处理后模拟形成立体的“真实”患者，操作者可以通过操纵器对该患者进行手术，而术区的情况可以通过传感系统及显示器实时地反馈给操作者。由此可见，力触觉反馈系统是虚拟现实模拟器的重要组成部分，引起了很多学者的重视。Lemote等[22]研发的Immersive-Touch虚拟现实平台，整合了力触觉反馈系统，在脑室切开术安置引流导管时可以将皮肤、骨骼及大脑的阻力和质地反馈给外科医生。Modi等[23]将力触觉反馈系统整合到膝关节和肩关节手术模拟器中，可以有效地提高无经验初学者的操作技能水平。Kusumoto等[20]将力触觉反馈系统应用到口腔种植手术的虚拟现实平台中，操作者能感受到磨削和钻孔的力量，而且能实现精细操作，预备后的种植体窝的位置误差小于0.2 mm。如果缺少力触觉传感系统，虚拟现实技术则不能实现对操作者进行的有效培训，还可能产生负面影响[24]。而有的学者则提出，在虚拟现实技术中，目前的力触觉反馈系统在提高初学者的操作能力上尚未体现出其明显的优越性，性能更佳的力触觉反馈系统仍有待开发[25]。

虚拟现实技术的出现对外科的发展带来了重大的变革，在不久的将来可能逐渐取代传统外科的教学和培训模式。然而，力触觉反馈系统依然是虚拟现实技术的核心内容，能够让医学生及外科初学者更真实地熟悉解剖结构及手术过程，不断开发和应用力触觉反馈系统是进一步推广虚拟现实技术所需要解决的重要难题。

2.3 力触觉反馈系统与远程外科

远程外科，是指外科医生通过实时视频图像和控制台，利用外科机器人对异地的患者进行手术。随着通讯技术蓬勃发展，结合越发成熟的外科机器人技术，远程外科也开始逐渐进入临床应用。

2001年，美国纽约的外科医生通过网络连接操控法国斯特拉斯堡的外科机器人，成功地对一位女性患者进行胆囊切除术，完成首例远程外科手术[26]。但是，远程外科存在因网络延迟和数据包丢失所产生的操作误差和意外。Suzuki等[27]开发了具有力触觉反馈系统的远程外科模拟系统，能够对异地的患者器官模型进行抓持和分离，有助于外科医生熟练地掌握远程外科技术。Bhattacharjee等[28]应用术区力预测系统，通过力传感器提供力反馈信息，能够有效地追踪外科机器人工作臂的位置，使远程手术更加安全。Natarajan等[29]指出，力反馈系统在整合同步技术后可以更充分地发挥其作用，让外科医生能够及时感知异地患者术区的力学信息，从而减少手术意外。Jones等[30]认为力触觉反馈可以提高远程手术的速度和安全性，设计并制作出整合力触觉反馈系统的操作臂（SASHA），能够对外科机器人进行更有效的控制。

因此，力触觉反馈系统可以使远程外科培训更加有效，并且提高远程外科手术的效率和安全性，开发更为敏感的力触觉反馈系统将会推动远程外科的迅速发展。

3 展望

外科的发展趋势是精确和微创。数字化外科的出现和迅速发展，正是不断追求精确和微创的具体表现。力触觉反馈系统能够将外科医生、手术器械以及术中患者实际情况紧密地联系在一起，在数字化外科的发展过程中起到革命性地推动作用。应用力触觉反馈系统，不仅能够提高外科医生的手术精确性和灵活性，保证患者的安全，缩短手术时间，更深层次的意义在于普及与推广数字化外科的临床应用，让更多的外科医生熟练掌握数字化外科，造福广大患者，让患者以最小的创伤得到最精确合理的外科治疗。

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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

上海市科委重点项目（11441902200）；上海交通大学医工交叉研究基金（YG2011MS06）。

200011 上海市 上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔颅颌面科（吴锦阳，张诗雷，桂海军，沈国芳）；200240 上海市 上海交通大学机械与动力工程学院（栾楠）。

张诗雷（E-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）