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：
確保患者手術(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。“使用 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。”Beelen 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。”
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。”Beelen 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。”
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。”