玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)，整個手術(shù)需要在眼內(nèi)進行,，手術(shù)時需要較高的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定度,，對于人工手術(shù)來說難度極大。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),，即使對于經(jīng)驗最豐富的外科醫(yī)生來說,，也是幾乎不可能完成的。
2016 年,，英國牛津約翰·拉德克里夫醫(yī)院的外科醫(yī)生,，實施了全球首例機器人輔助視網(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）,，即一個機器臂助手,，該機器臂會衡量主刀醫(yī)生的動作，并能過濾醫(yī)生的手部抖動,，達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)操縱著進入眼內(nèi)的手術(shù)器械,， 并由圖中左側(cè)的運動控制器控制,，主刀醫(yī)生手動操作著該控制器。
最近,，Preceyes 開始在鹿特丹眼科醫(yī)院實施了臨床試驗,。他們成功地將新研發(fā)的距離傳感器集成到機器人中，并完成了機器人和傳感器相結(jié)合的驗證,。該傳感器能夠測量手術(shù)器械和視網(wǎng)膜之間的距離,。依托該傳感器所帶來的安全性和實時距離數(shù)據(jù)，對于要求苛刻的視網(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)和評估的寶貴數(shù)據(jù)來源。Preceyes 的工程師使用基于模型的設(shè)計流程,，借助 matlab?,、Simulink? 和 Simulink Real-Time? 設(shè)計并實現(xiàn)了該機器人控制系統(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,，還能對現(xiàn)有療法進行改善，比如視網(wǎng)膜上長出的病變膜剝離,，以及眼房水更換,。
在實現(xiàn)這些目標(biāo)的過程中，Preceyes 團隊始終堅持兩個優(yōu)先原則：
確?；颊呤中g(shù)安全
盡可能高效地生產(chǎn)出一臺臨床研究設(shè)備
為了在限定的開發(fā)時間和安全性要求下完成設(shè)計目標(biāo),，Preceyes 的工程師們需要借助建模和仿真技術(shù)的優(yōu)勢，這種技術(shù)在多個行業(yè)的安全攸關(guān)的應(yīng)用中已經(jīng)大量使用,。具體來說,，工程師們需要對復(fù)雜的控制邏輯進行建模，接著對其設(shè)計進行功能驗證,，首先通過仿真,，然后部署到真實的機器人上進行實時測試。除了實時控制軟件之外,，該團隊還需要開發(fā)一套運行在 PC 上的非實時應(yīng)用程序,，通過該程序的接口，主治醫(yī)師在手術(shù)前和手術(shù)過程中可以配置系統(tǒng)的設(shè)置,。
解決方案
Preceyes 采用了基于模型的設(shè)計流程,，借助 MATLAB、Simulink 和 Simulink Real-Time 加速其 RPECEYES 外科手術(shù)系統(tǒng)實時控制軟件的開發(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）,。
為了建立機器人的運動學(xué)和動力學(xué)模型，Preceyes 的工程師們采用了系統(tǒng)辨識的方法,，借助 Simulink Real-Time 對機器人的 11 個電機產(chǎn)生激勵信號，然后分別測量各自由度的響應(yīng),。
在 MATLAB 中對這些測量數(shù)據(jù)進行分析和擬合后,，工程師們在 Simulink 中建立了能夠描述在給定作用力下做出準(zhǔn)確響應(yīng)的機器人被控對象模型。
接著,，團隊開發(fā)了一個控制器模型,，該模型處理來自系統(tǒng)操縱桿的輸入信號和大約 60 路傳感器（包括光學(xué)和磁編碼器）信號，并產(chǎn)生相應(yīng)的電機控制信號,，驅(qū)動手術(shù)器械,，以響應(yīng)外科醫(yī)生的手部動作,。在模型中，工程師們利用 Simulink Real-Time 中的 EtherCAT 模塊與機器人的 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行通信,。
團隊使用 Stateflow? 對系統(tǒng)各工作模式進行了順序邏輯建模,，包括校正，初始化和自我驗證,。
在對控制器的基本功能和控制邏輯進行仿真驗證后,，工程師們借助 Simulink Coder? 從模型生成代碼，并將編譯后的目標(biāo)碼部署到一臺運行 Simulink Real-Time 的實時目標(biāo)機上,。該目標(biāo)機通過 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)與機器人上的傳感器和電機進行通信,。
“作為一個精益創(chuàng)業(yè)公司，在設(shè)計最終產(chǎn)品之前,，我們必須在不損害安全的前提下快速實現(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,，驗證，以及在實時仿真系統(tǒng)上的部署和用戶測試,。傳統(tǒng)的軟件開發(fā)流程可能會大大延長我們的開發(fā)時間,。”
——Preceyes, Maarten Beelen
為了改善和增強控制器功能,，團隊對模型進行了改進,，通過仿真對其進行了檢查，然后使用 Simulink Real-Time 在實際的機器人上進行測試,。
工程師們使用了 MATLAB 提供的 UI 開發(fā)工具 GUIDE,，開發(fā)了一款觸摸屏應(yīng)用軟件，醫(yī)生可以在手術(shù)中通過該應(yīng)用改變手術(shù)設(shè)置,，以及接收視覺和聽覺反饋,。
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)中得到了驗證。該公司已經(jīng)計劃在一些頂級的外科手術(shù)站點進行更多臨床驗證,，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一個底層架構(gòu),。作為開發(fā)第一個版本時唯一的軟件工程師,，這是一個巨大的優(yōu)勢——事實上，如果采用傳統(tǒng)開發(fā)流程，我懷疑一個工程師很難獨自完成這項工作,?！盉eelen 說到。 “我們開發(fā)的控制器軟件被咨詢工程師廣泛地評審,， 因為 Simulink 模型良好的可讀性,、需求可追溯性和生成報告的能力，使得評審過程變得非常容易,?！?/p>
患者手術(shù)安全得到保障 。 “我總是說我不會輕易把醫(yī)療設(shè)備推向市場,，除非我完全有信心將它用在我自己或所愛的人身上,。”Beelen 解釋道,，“通過我們在 Simulink 模型中實現(xiàn)的安全機制,，我 100% 放心，軟件不會出現(xiàn)任何問題,?！?/p>
產(chǎn)品化路線圖準(zhǔn)備就緒?！霸趯⑽覀兊氖中g(shù)系統(tǒng)進行產(chǎn)品化時,，使用 Embedded Coder 針對嵌入式處理器，從現(xiàn)有的控制器模型直接生成代碼,，我們將縮減開發(fā)時間,。” Beelen 說到,，“產(chǎn)品化過程中,，我們將遵循更正規(guī)的開發(fā)和測試流程，改善版本控制的方法,，擴大開發(fā)團隊規(guī)模,，并且繼續(xù)使用 Simulink 基于模型的測試、驗證和確認(rèn)功能,?！?/p>