機(jī)器人技術(shù)已涉足許多領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)也不例外。在過去的十年中，機(jī)器人輔助手術(shù)在幾乎每個(gè)外科專業(yè)領(lǐng)域都取得了巨大的進(jìn)步。隨著泌尿外科，婦科，心胸外科，耳鼻喉科和普通外科的幾乎每個(gè)外科專業(yè)對機(jī)器人手術(shù)的合法認(rèn)可，外科手術(shù)期間的機(jī)器人輔助已顯示出巨大的發(fā)展。
機(jī)器人輔助手術(shù)通常使用涉及主從配置的外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行，其中“主”是外科醫(yī)生操縱以控制機(jī)械臂的控制器設(shè)備。這樣的系統(tǒng)通過濾除手部震顫并將其手部動作縮放為較小的動作，從而提高了外科醫(yī)生的靈活性和準(zhǔn)確性。它們還降低了常見手術(shù)并發(fā)癥（如手術(shù)部位感染）的風(fēng)險(xiǎn)。
但在對大腦或毛細(xì)血管等脆弱結(jié)構(gòu)進(jìn)行手術(shù)時(shí)，機(jī)器人往往很難取代人，因?yàn)榉€(wěn)定的手和不間斷的清晰視力至關(guān)重要。盡管外科手術(shù)照相機(jī)可以改善外科醫(yī)生在手術(shù)過程中所見的事物，但“穩(wěn)固的手”仍有待增強(qiáng)，因?yàn)殡S著醫(yī)療機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，新的外科技術(shù)，包括復(fù)雜的外科醫(yī)生指導(dǎo)的機(jī)械手，無法在接近易碎組織的情況下防止意外傷害。
目前，類似達(dá)芬奇等機(jī)器人常用的是主從操作方案的輔助機(jī)器人方法，然而，機(jī)器人輔助手術(shù)也有其自身的缺點(diǎn)，特別是對于進(jìn)行手術(shù)的人。使用機(jī)器人的外科醫(yī)生有時(shí)會在手術(shù)過程中感到身體不適，手指疲勞很常見。這種不適與他們握住主控制器的方式有關(guān)。通常使用兩種類型的手柄來控制外科手術(shù)機(jī)器人：“捏緊手柄”和“電動手柄”。捏緊手柄已在常規(guī)手術(shù)中使用了多個(gè)世紀(jì)。它涉及使用拇指，中指和食指來實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動。另一方面，電動手柄包括用整只手抓住手柄，更適合于有力的工作和較大的運(yùn)動。
由于捏握會在手和手指的某些肌肉上施加壓力，因此更容易引起疲勞。而且，盡管電動握柄似乎并未引起這種不適，但它的控制精度較差。因此，在由捏握引起的不適和對動力握柄的精細(xì)控制的缺乏之間存在折衷。
近日發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志上的一項(xiàng)新研究中，就提出了對這些問題的解決辦法，德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究人員表明，通過向指尖傳遞小但可感知的電流嗡嗡聲，可以使用戶更準(zhǔn)確地了解接觸距離。這種方法使用戶能夠精確地控制自己的機(jī)械手手指，以使其輕輕落在易碎的表面上。
研究人員說，這項(xiàng)技術(shù)將可能是幫助外科醫(yī)生減少機(jī)器人輔助手術(shù)過程中意外傷害的有效方法。
研究人員電氣和計(jì)算機(jī)工程系的助理教授Hangue Park表示：“機(jī)械手的挑戰(zhàn)之一是確保對其進(jìn)行足夠精確的控制以使其軟著陸在生物組織上。” “通過我們的設(shè)計(jì)，外科醫(yī)生將能夠直觀地了解其機(jī)械手指與接觸的距離，然后他們便可以用適當(dāng)?shù)牧硎褂眠@些信息來觸摸易碎的結(jié)構(gòu)。”
機(jī)器人輔助手術(shù)系統(tǒng)，也稱為遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，是外科醫(yī)生的物理擴(kuò)展。通過用自己的手指移動來控制機(jī)器人手指，外科醫(yī)生可以遠(yuǎn)程執(zhí)行復(fù)雜的操作，從而擴(kuò)大了可以提供醫(yī)療護(hù)理的患者數(shù)量。而且，機(jī)械手的手指很小，這意味著可以用較小的切口進(jìn)行手術(shù)，因?yàn)槭中g(shù)過程中外科醫(yī)生無需進(jìn)行大的切割即可將其手放在患者體內(nèi)。
為了精確地移動他們的機(jī)械手指，外科醫(yī)生依靠來自遠(yuǎn)程機(jī)器人手臂上的攝像頭的實(shí)時(shí)視覺信息流。因此，他們調(diào)查顯示器以使其手指運(yùn)動與遙控機(jī)器人的手指運(yùn)動相匹配。這樣，他們就知道自己的機(jī)械手手指在空間中的位置以及這些手指彼此之間的距離。
但是，Park指出，僅視覺信息還不足以指導(dǎo)手指的精細(xì)運(yùn)動，這在手指位于大腦或其他脆弱組織的附近時(shí)至關(guān)重要。
Park說：“外科醫(yī)生只能間接地知道他們的實(shí)際手指彼此相距多遠(yuǎn)，也就是說，通過在視覺監(jiān)視器上觀察他們的機(jī)械手指相對于彼此的位置。” “這種全息景觀減少了他們對實(shí)際手指彼此相距多遠(yuǎn)的感覺，從而影響了他們對機(jī)械手指的控制方式。”
為了解決這個(gè)問題，他們借鑒了東京工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家為機(jī)器人手術(shù)中使用的機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)的一種新型控制器。該控制器結(jié)合了市售機(jī)器人系統(tǒng)中使用的兩種不同類型的抓持，以利用兩者的優(yōu)勢，從而減少了外科醫(yī)生的工作量并提供了良好的精度。在其此前《The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery》上發(fā)表的一項(xiàng)名為“Manipulation of a master manipulator with a combined‐grip‐handle of pinch and power grips”研究中，研究人員發(fā)明設(shè)計(jì)出一種結(jié)合了兩種抓握方式的主控制器。研究人員設(shè)計(jì)的這個(gè)帶有模塊化主控制器的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以采用捏合，電動或組合抓緊方式。
基于這種前沿認(rèn)識，Park和他的團(tuán)隊(duì)也想出了另一種方式來提供獨(dú)立于視覺反饋的距離信息：通過使用裝有刺激探針的手套，將不同頻率的電流傳遞到指尖，研究人員能夠訓(xùn)練用戶將電流脈沖的頻率與距離相關(guān)聯(lián)，即增加電流頻率表明距測試對象的閉合距離。然后，他們也比較了接受當(dāng)前刺激以及與顯示器上有關(guān)閉合距離的視覺信息，使得用戶在估計(jì)距離方面比僅接收視覺信息的用戶更好。
Park和他的團(tuán)隊(duì)還根據(jù)用戶對電流頻率的敏感性定制了他們的技術(shù)。換句話說，如果用戶對更大范圍的電流頻率敏感，則以較小的步長增加電流來傳遞距離信息，以使接近度估計(jì)的準(zhǔn)確性最大化。
研究人員發(fā)現(xiàn)，接受電脈沖的用戶更了解與下表面的接近程度，并且可以將其接觸力降低70％左右，性能要好于另一組。總體而言，他們觀察到通過溫和的電脈沖傳遞的鄰近信息的有效性比僅視覺信息的有效性高三倍。
Park說，他們的新方法有可能顯著提高手術(shù)期間的可操作性，同時(shí)最大程度地減少意外組織損傷的風(fēng)險(xiǎn)。他還說，他們的技術(shù)在手術(shù)過程中不會增加外科醫(yī)生現(xiàn)有的精神負(fù)擔(dān)。
他說：“我們的目標(biāo)是提出一種解決方案，以提高接近度估計(jì)的準(zhǔn)確性，而又不增加完成此任務(wù)所需的積極思考的負(fù)擔(dān)。” “當(dāng)我們的技術(shù)準(zhǔn)備好在外科手術(shù)環(huán)境中使用時(shí)，醫(yī)生將能夠直觀地知道其機(jī)械手指與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的距離，這意味著他們可以繼續(xù)專注于優(yōu)化患者的外科手術(shù)效果。”
Park也認(rèn)為，可以毫不夸張的說，此前東京工業(yè)大學(xué)在《國際醫(yī)學(xué)機(jī)器人與計(jì)算機(jī)輔助外科雜志》上發(fā)表的結(jié)合了兩種抓握方式的主控制器研究，可能是機(jī)器人輔助手術(shù)朝正確方向邁出的一步，其對機(jī)器人手術(shù)主控制器的操縱方法在直觀性，舒適性，精度和穩(wěn)定性方面都具有重大影響，這個(gè)方法除了能夠進(jìn)行精確的操作外，舒適的操縱方法，還可能使患者和外科醫(yī)生受益。
而本次電誘發(fā)的近距離感覺可以增強(qiáng)遙控機(jī)器人捏的精細(xì)手指控制研究，也在此基礎(chǔ)上讓對于需要高控制精度的遙操作任務(wù)更進(jìn)一步，盡管需要進(jìn)一步的工作來分析與機(jī)械手臂操作有關(guān)的其他變量，但是這項(xiàng)工作無疑為高級外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)鋪平了道路，當(dāng)然，在未來如果成本能夠下降，這或許也會不僅僅局限于手術(shù)機(jī)器人。
