玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù),，整個(gè)手術(shù)需要在眼內(nèi)進(jìn)行,，手術(shù)時(shí)需要較高的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定度，對(duì)于人工手術(shù)來(lái)說(shuō)難度極大,。隨著人口老齡化的加劇,，玻璃體視網(wǎng)膜類疾病患者數(shù)量大幅攀升，亟待研發(fā)具備更高手術(shù)精度的新治療方案,。比如,，視網(wǎng)膜靜脈阻塞的一個(gè)潛在療法，即把一根直徑僅有人類發(fā)絲直徑大小的細(xì)針插入至阻塞處并保持靜止 10 分鐘,，這種手術(shù),，即使對(duì)于經(jīng)驗(yàn)最豐富的外科醫(yī)生來(lái)說(shuō)，也是幾乎不可能完成的。
2016 年,，英國(guó)牛津約翰·拉德克里夫醫(yī)院的外科醫(yī)生,，實(shí)施了全球首例機(jī)器人輔助視網(wǎng)膜眼內(nèi)手術(shù)。他們借助了 Preceyes 外科手術(shù)系統(tǒng)（PRECEYES Surgical System）,，即一個(gè)機(jī)器臂助手,，該機(jī)器臂會(huì)衡量主刀醫(yī)生的動(dòng)作,，并能過(guò)濾醫(yī)生的手部抖動(dòng),，達(dá)到了前所未有的手術(shù)穩(wěn)定度和精準(zhǔn)度。
RECEYES 手術(shù)系統(tǒng),。該系統(tǒng)操縱著進(jìn)入眼內(nèi)的手術(shù)器械,， 并由圖中左側(cè)的運(yùn)動(dòng)控制器控制，主刀醫(yī)生手動(dòng)操作著該控制器,。
最近,，Preceyes 開(kāi)始在鹿特丹眼科醫(yī)院實(shí)施了臨床試驗(yàn)。他們成功地將新研發(fā)的距離傳感器集成到機(jī)器人中,，并完成了機(jī)器人和傳感器相結(jié)合的驗(yàn)證,。該傳感器能夠測(cè)量手術(shù)器械和視網(wǎng)膜之間的距離。依托該傳感器所帶來(lái)的安全性和實(shí)時(shí)距離數(shù)據(jù),，對(duì)于要求苛刻的視網(wǎng)膜手術(shù),，這種方案能確保提供更高的手術(shù)安全性和手術(shù)效果。此外,，它將是培訓(xùn)和評(píng)估的寶貴數(shù)據(jù)來(lái)源,。Preceyes 的工程師使用基于模型的設(shè)計(jì)流程，借助 matlab?,、Simulink? 和 Simulink Real-Time? 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了該機(jī)器人控制系統(tǒng)。
挑戰(zhàn)
Preceyes 為其外科手術(shù)系統(tǒng)制定了雄心勃勃的目標(biāo),。大大增加的手術(shù)精確度不僅使新的療法成為可能,，還能對(duì)現(xiàn)有療法進(jìn)行改善，比如視網(wǎng)膜上長(zhǎng)出的病變膜剝離,，以及眼房水更換,。
在實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的過(guò)程中,，Preceyes 團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持兩個(gè)優(yōu)先原則：
確?；颊呤中g(shù)安全
盡可能高效地生產(chǎn)出一臺(tái)臨床研究設(shè)備
為了在限定的開(kāi)發(fā)時(shí)間和安全性要求下完成設(shè)計(jì)目標(biāo)，Preceyes 的工程師們需要借助建模和仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì),，這種技術(shù)在多個(gè)行業(yè)的安全攸關(guān)的應(yīng)用中已經(jīng)大量使用,。具體來(lái)說(shuō)，工程師們需要對(duì)復(fù)雜的控制邏輯進(jìn)行建模，接著對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行功能驗(yàn)證,，首先通過(guò)仿真，然后部署到真實(shí)的機(jī)器人上進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試,。除了實(shí)時(shí)控制軟件之外,，該團(tuán)隊(duì)還需要開(kāi)發(fā)一套運(yùn)行在 PC 上的非實(shí)時(shí)應(yīng)用程序,，通過(guò)該程序的接口,，主治醫(yī)師在手術(shù)前和手術(shù)過(guò)程中可以配置系統(tǒng)的設(shè)置。
解決方案
Preceyes 采用了基于模型的設(shè)計(jì)流程,，借助 MATLAB,、Simulink 和 Simulink Real-Time 加速其 RPECEYES 外科手術(shù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制軟件的開(kāi)發(fā),。
鹿特丹眼科醫(yī)院所使用的 PRECEYES 外科手術(shù)系統(tǒng)（手術(shù)準(zhǔn)備階段）,。
為了建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，Preceyes 的工程師們采用了系統(tǒng)辨識(shí)的方法,，借助 Simulink Real-Time 對(duì)機(jī)器人的 11 個(gè)電機(jī)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào),，然后分別測(cè)量各自由度的響應(yīng),。
在 MATLAB 中對(duì)這些測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和擬合后,，工程師們?cè)?Simulink 中建立了能夠描述在給定作用力下做出準(zhǔn)確響應(yīng)的機(jī)器人被控對(duì)象模型。
接著,，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)控制器模型,，該模型處理來(lái)自系統(tǒng)操縱桿的輸入信號(hào)和大約 60 路傳感器（包括光學(xué)和磁編碼器）信號(hào)，并產(chǎn)生相應(yīng)的電機(jī)控制信號(hào),，驅(qū)動(dòng)手術(shù)器械,，以響應(yīng)外科醫(yī)生的手部動(dòng)作。在模型中,，工程師們利用 Simulink Real-Time 中的 EtherCAT 模塊與機(jī)器人的 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,。
團(tuán)隊(duì)使用 Stateflow? 對(duì)系統(tǒng)各工作模式進(jìn)行了順序邏輯建模，包括校正,，初始化和自我驗(yàn)證,。
在對(duì)控制器的基本功能和控制邏輯進(jìn)行仿真驗(yàn)證后，工程師們借助 Simulink Coder? 從模型生成代碼,，并將編譯后的目標(biāo)碼部署到一臺(tái)運(yùn)行 Simulink Real-Time 的實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)上,。該目標(biāo)機(jī)通過(guò) EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器人上的傳感器和電機(jī)進(jìn)行通信。
“作為一個(gè)精益創(chuàng)業(yè)公司,，在設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品之前,，我們必須在不損害安全的前提下快速實(shí)現(xiàn)第一版的發(fā)布,，以獲得臨床反饋，并建立相關(guān)臨床證明,。Simulink 和 Simulink Real-Time 使我們能夠快速完成控制器的設(shè)計(jì),，驗(yàn)證，以及在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)上的部署和用戶測(cè)試,。傳統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)流程可能會(huì)大大延長(zhǎng)我們的開(kāi)發(fā)時(shí)間,。”
——Preceyes, Maarten Beelen
為了改善和增強(qiáng)控制器功能,，團(tuán)隊(duì)對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn),，通過(guò)仿真對(duì)其進(jìn)行了檢查,，然后使用 Simulink Real-Time 在實(shí)際的機(jī)器人上進(jìn)行測(cè)試,。
工程師們使用了 MATLAB 提供的 UI 開(kāi)發(fā)工具 GUIDE，開(kāi)發(fā)了一款觸摸屏應(yīng)用軟件,，醫(yī)生可以在手術(shù)中通過(guò)該應(yīng)用改變手術(shù)設(shè)置，以及接收視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)反饋,。
PRECEYES 手術(shù)系統(tǒng)的安全性和有效性已經(jīng)在 14 例外科手術(shù)中得到了驗(yàn)證,。該公司已經(jīng)計(jì)劃在一些頂級(jí)的外科手術(shù)站點(diǎn)進(jìn)行更多臨床驗(yàn)證，其中包括與鹿特丹眼科醫(yī)院為期兩年的合作,。該公司還正致力于 CE 認(rèn)證和下一代產(chǎn)品的批量化生產(chǎn),。
結(jié)果
核心控制器軟件的開(kāi)發(fā)僅需一名工程師?！笆褂?MATLAB 和 Simulink,，我不必親自再為控制器編寫(xiě)一個(gè)底層架構(gòu)。作為開(kāi)發(fā)第一個(gè)版本時(shí)唯一的軟件工程師,，這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)——事實(shí)上,，如果采用傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程，我懷疑一個(gè)工程師很難獨(dú)自完成這項(xiàng)工作,?！盉eelen 說(shuō)到。 “我們開(kāi)發(fā)的控制器軟件被咨詢工程師廣泛地評(píng)審,， 因?yàn)?Simulink 模型良好的可讀性,、需求可追溯性和生成報(bào)告的能力，使得評(píng)審過(guò)程變得非常容易,?！?/p>
患者手術(shù)安全得到保障 。 “我總是說(shuō)我不會(huì)輕易把醫(yī)療設(shè)備推向市場(chǎng),，除非我完全有信心將它用在我自己或所愛(ài)的人身上,?！盉eelen 解釋道，“通過(guò)我們?cè)?Simulink 模型中實(shí)現(xiàn)的安全機(jī)制,，我 100% 放心,，軟件不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題?！?/p>
產(chǎn)品化路線圖準(zhǔn)備就緒,。“在將我們的手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品化時(shí),，使用 Embedded Coder 針對(duì)嵌入式處理器,，從現(xiàn)有的控制器模型直接生成代碼，我們將縮減開(kāi)發(fā)時(shí)間,?！?Beelen 說(shuō)到，“產(chǎn)品化過(guò)程中,，我們將遵循更正規(guī)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試流程,，改善版本控制的方法，擴(kuò)大開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)規(guī)模,，并且繼續(xù)使用 Simulink 基于模型的測(cè)試,、驗(yàn)證和確認(rèn)功能?！?/p>