手術機器人空間定位精度檢測技術發展概述

【作 者】 洪偉，金路凱

1 上海市醫療器械檢驗研究院，上海市，201318

2 國家藥品監督管理局醫用電氣設備重點實驗室，上海市，201318

0 引言

手術機器人是對采用機器人技術進行手術治療設備的一個泛稱。目前采用機器人技術的輔助手術設備和輔助手術系統（簡稱RA設備）是全球在醫學領域運用機器人技術的一個研究熱點，也是手術設備研制的一個發展趨勢。作為一個新興的交叉學科產物，RA設備在形態、適用術種上還會不斷推陳出新，醫療器械檢測機構也勢必要面對檢測不同新形態的RA設備精度指標的技術挑戰。對機器人的發展而言，機器人精度的評價離不開空間六維位姿測量、軌跡跟蹤等空間坐標檢測技術。本研究的設備選擇和試驗方法將為RA設備性能評價方法標準化提供參考依據。

1 RA設備的分類

國務院于2015年發布的《中國制造2025》將機器人技術列為 全面推進實施制造強國的重點發展領域。機器人不僅用于工業領域，在醫療領域的應用也越來越廣泛。目前，機器人在醫療領域的應用主要集中于外科手術機器人、康復機器人、護理機器人和服務機器人方面。手術機器人是目前應用最廣且最具前景的醫療機器人細分領域，產品涵蓋腹腔鏡手術、骨科導航及手術、血管介入、經自然腔道導航、經皮穿刺機器人等。YY/T 1712ü 2021標準定義的RA設備分兩大類：主從控制的RA設備和導航引導下的RA設備。

1.1 主從控制的RA設備

主從控制的RA設備的典型產品為美國直覺外科公司的達芬奇手術機器人[1-3]，其廣泛應用于泌尿外科、肝膽胰外科、胸外科、婦科等相關的微創腹腔鏡手術。這類設備主要有以下3個特征：①采用腹腔鏡作為視覺閉環的傳感器，手術過程中醫生通過腹腔鏡獲得視覺圖像信息使末端執行器的空間位置信息得以實時反饋至醫生端，由此醫生可直觀地遙控手術器械工作；②執行機構分為主臂和從臂兩部分，主臂主要負責采集醫生手部的動作軌跡，而從臂主要負責連接并控制手術器械執行手術操作，通過主從空間映射，在從臂末端執行器以一定比例還原醫生手部的動作完成手術；③通常一套主從控制的RA設備系統內含多個從臂執行器，單個從臂執行器可分為定位機構和末端手術器械。

機器人手術技術已經成功實現了復雜手術的微創化、提高了手術操作的精度與質量、增強了手術安全性，并且能夠融入各種數字化手術診斷信息、計算機輔助判斷與監控、實時操作評估與約束，將外科手術帶入全新的數字化手術階段。這使得手術機器人形成了一項快速成長且極具潛力的新興高技術醫療器械產業。

目前，越來越多的國內外公司也大力投入主從式腔鏡機器人的研發與生產制造，如英國的CMR Surgical公司與中國的上海微創醫療機器人（集團）股份有限公司，分別擁有分體式腔鏡機器人產品Versius與一體式腔鏡機器人產品圖邁。

1.2 導航引導下的RA設備

導航引導下的RA設備主要有以下3個特征：①手術執行機構多采用串聯結構的多關節機器人。國內多數導航引導的RA設備采用6自由度或7自由度的協作機器人作為手術執行機構，如圖1所示。該類RA設備主要應用于神經外科手術、骨科手術、牙科手術等，比如北京柏惠維康科技股份有限公司的立體定向神經外科手術機器人Remebot及北京天智航醫療科技股份有限公司的骨科機器人均采用了丹麥UR的協作機械臂作為執行機構[4-6]；②采用三維醫學圖像數據，利用圖像識別技術進行病灶定位、自主路徑規劃實現機器人自動完成手術定位功能[7-9]；③NDI引導下實現設備的高精度運行軌跡控制，往往該類RA設備還會使用NDI的三維跟蹤定位系統進行執行機構空間位置的閉環控制。此外，經自然腔道導航機器人，如美國強生子公司Auris旗下的柔性機器人Monarch通過導航技術與主從控制技術，可以實現術前支氣管樹三維模型重建及路徑規劃；而經皮穿刺機器人，如微創介航機器人的Mona Lisa前列腺穿刺機器人定位系統則通過超聲設備引導穿刺病灶。

圖1 導航引導下的RA設備Fig.1 RA equipment under navigation guidance

2 RA設備的精度性能指標

標準YY/T 1712ü 2021分別定義了 主從控制的RA設備精度 和 導航引導下的RA設備定位精度 兩大類RA設備涉及空間位姿精度的指標。

2.1 主從控制的RA設備精度

主從控制的RA設備精度 中要求測量位姿準確度和位姿重復性、主從操作準確度和重復性兩大類精度指標。其中位姿準確度和重復性是對主動控制的RA設備從臂的末端執行器的位置和姿態的定位精度進行測量。位姿重復性的測量相對簡單，比較容易實現，而位姿準確度的測量實際須解決3個技術問題：①測量儀器坐標系和主從控制的RA設備控制坐標系的相對空間關系構建，其難點主要在于RA設備控制器能否準確給出與測量儀器靶標點相關聯的指令坐標數據[10]；②主從RA設備能否給出測量點P1～P5的（x,y,z,a,b,c）六維指令數據，這一步的難點是末端執行器種類較多，形體差異比較大，對姿態數據的描述各不相同且不一定完整；③體積較小的末端器械無法安裝姿態測量用的靶標。

主從操作準確度和重復性中定義了主從操作距離準確度和主從操作距離重復性、主從操作姿態準確度和主從操作姿態重復性。主從操作的姿態類精度測量是這大類指標的難點，原因同上述②、③點技術問題。

2.2 導航引導下的RA設備定位精度

導航引導下的RA設備定位精度 中主要定義該類設備的位置準確度、位置重復性及設備系統精度3個空間精度指標。目前導航引導下的RA設備使用串聯關節結構的協作機械臂較多，因而位置準確度與位置重復性兩項指標在YY/T 1712ü 2021標準中的定義與方法均參考了工業機器人標準。而設備系統精度這個指標是導航引導下的RA設備特有的一個性能指標，實際上模擬了手術機器人通過醫學圖像識別系統對病灶識別定位后自動規劃手術軌跡并進行手術的應用場景，檢測的是疊加了跟蹤裝置定位精度、機械臂的本體控制精度在內的系統綜合精度[11]。該項指標的測量須定制一個模擬手術對象的標準器并事先獲得該標準器的醫學圖像或建模。該項指標測試設計針對不同結構的產品具備較高的靈活性，難點在于為不同的產品定制新的測試方法。

3 主流三坐標測量設備在RA設備精度檢測中的應用

3.1 激光跟蹤儀

隨著激光跟蹤系統的不斷發展，其應用逐漸延伸到各種精密測量領域，例如在航空航天領域對飛行器零部件精度及裝配精度的測量；在軌道交通制造行業中對高精度機床平面度、直線度等的測量；此外，在軍工、船舶裝配、汽車裝配、核電等領域，激光跟蹤儀也被廣泛應用。

激光跟蹤儀是基于角度傳感和激光測長技術相結合的球坐標測量系統，主體測試設備由測距激光和2自由度的角度跟蹤伺服系統構成。工作時需要在被測物上放置激光反射靶球，在數據處理控制器的控制下角度跟蹤伺服系統將做出響應，使激光束始終沿著靶球內三面相互垂直的反射鏡中心入射。因此，在采集終端能收到鏡面反射的激光的條件下，系統都能對靜止或移動的目標進行跟蹤和采集，反射靶球的球心在儀器坐標系下的三維坐標即可通過球坐標下系統內角度編碼器獲取的水平與垂直向的角度信息及激光測距信息進行換算，目前市場主流激光跟蹤儀在5 m測量范圍內精度均能夠優于0.04 mm。激光跟蹤儀在工業機器人性能測量中已經廣泛應用，以浙江譜麥科技有限公司為代表的國內廠商已經配備有完善的基于激光跟蹤儀作為測量儀器的工業機器人性能測量系統。

激光跟蹤儀測量RA設備的位置準確度、位置重復性具有高效、省時、準確、自動化等特點。通過專用夾具可以將反射靶球安裝到機器人末端被測點，再通過專用測量軟件進行坐標系對齊就可以完成測量。如圖2所示激光跟蹤儀測量RA設備。

圖2 激光跟蹤儀測量RA設備Fig.2 Laser tracker measuring RA equipment

3.2 關節式坐標測量機及藍光掃描

關節式坐標測量機一般由3根剛體臂、6個活動關節和1個測頭連接組成，有些機型測頭上可以額外安裝藍光掃描頭，使設備具備非接觸三維掃描功能。關節式坐標測量機（見圖3）相對于臺式三坐標測量機而言有攜帶便捷、適合工業現場使用、測量死角少等優點。

圖3 關節式坐標測量機Fig.3 Articulated coordinate measuring equipment

關節式坐標測量機能較為方便地測量導航引導下的RA設備的系統精度和主從控制的RA設備的重復精度。關節式坐標測量機的掃描功能屬于非接觸測量，測量時不用安放反射靶標。測量導航引導下的RA設備的系統精度時只需要機器人末端的手術器械走到指令位置后對器械末端及模擬手術對象的標準器測試點整體掃描，形成空間三維點云模型，在模型里進行誤差的提取分析，測量場景如圖4所示。同理，對于主從控制的RA設備從臂末端的手術器械位姿重復性指標也可以使用類似方法進行測量，將多次掃描模型數模對齊后進行離散分布誤差分析。

圖4 關節式坐標測量機掃描測量場景Fig.4 Scanning and measuring scene of using articulated coordinate measuring equipment

3.3 視覺動態跟蹤測量系統

基于視覺的動態跟蹤捕捉技術是一個趨于成熟并炙手可熱的測量運動物體在三維空間運動狀況的視覺測量技術。視覺動態跟蹤測量系統大空間多目標的檢測優勢是傳統三坐標測量儀器所不具備的，因此已經被用于康復機器人、人體外骨骼、主從控制的RA設備等醫療設備的性能檢測。目前市場上主要有兩種視覺動態跟蹤測量系統：紅外運動捕捉系統和高精度視覺動態跟蹤測量系統。

（1）紅外運動捕捉系統。

它是相機發射特定波長的紅外光照射測試場，通過對目標上特定的紅外反射光點的監視和跟蹤來完成運動捕捉的任務。通常情況下，紅外運動捕捉系統由紅外捕捉相機、信號傳輸設備、數據處理工作站以及反光標記點組成，通過在運動物體關鍵部位（如機器人末端）粘貼反光標記點，由多個動作捕捉相機從不同角度實時探測光學標記點，數據實時傳輸至數據處理工作站，根據三角測量原理精確計算光學標記點的空間坐標，從而得到運動物體的實時三維坐標數據。理論上，紅外運動捕捉測量系統可以同時對多個光學標記點進行測量，每個光學標記點至少被2臺捕捉相機同時捕捉到影像。紅外運動捕捉測量系統需要盡可能多的相機覆蓋一定面積的測試區域，一般10 m2的區域最好由8～12臺捕捉相機覆蓋，測量精度一般能達到亞毫米級，幀速最高可達300 fps以上。

（2）高精度視覺動態跟蹤測量系統。

美國GSI公司是工業攝影測量技術的領導者，從事攝影測量研究超過30年，其V-STARS攝影測量系統已發展到第七代，屬于高精度、光學的、三維坐標測量系統，特別適合快速、準確、動態地對快速移動或變形物體進行三維測量。該系統的高光度 DynaMo（dynamic motion）工業相機功能強大、堅固、速度快。相機系統包括一個高速的頻閃閃光系統，即使在強烈陽光的情況下，該系統會瞬間捕捉每一個場景。該系統的靶標工裝有著重量輕、易于固定的優勢，且只需一個靶標即可獲得主從控制RA設備姿態相關的測量數據，因此該設備相較于激光跟蹤儀會更適用于主從控制的RA設備相關精度指標，圖5為V-STARS系統檢測一臺主從式腹腔鏡手術機器人的場景。而相比于上述紅外運動捕捉系統，V-STARS系統的精度更高，攝像系統性能參數如表1所示。但使用該系統需在整面墻上布置靶點供相機識別以便建立世界坐標系，這一特性使得產品的試驗前布置成本要高于上述其他設備，也犧牲了便攜性。并且目前該系統的攝影頻率僅為10 Hz，無法完成主從控制RA設備動態的數據采集與分析。

表1 V-STARS系統性能參數Tab.1 Parameter of V-STARS technical specifications

圖5 V-STARS系統測量主從控制的RA設備Fig.5 V-STARS system measuring master-slave controlled RA equipment

上述2種視覺動態跟蹤測量系統都具備了大空間多目標六維位姿的跟蹤測量能力，對于精度要求高且預算充足的測量應用可以采用V-STARS攝影測量系統；對于精度要求不高、預算不充足的測量應用可以選擇紅外運動捕捉系統。

3.4 主流三坐標測量設備在RA設備精度檢測中的應用比較

當上述設備應用于RA設備相關精度指標的檢測工作時，各自展現出不同的特性，以及基于設備工作原理和基本性能的優勢與劣勢。因此，如何選擇正確的設備完成相應的試驗便成了高效完成檢測工作并獲得準確試驗數據的關鍵。

如檢測配備常見協作機械臂的導航引導下的RA設備定位精度時，激光追蹤儀往往會成為首選設備。因為其有極高的測量精度且實時跟蹤的特性，使得用它完成此類試驗高效且精確。并且通過配備先進的三維數據處理軟件和基于現有工業機器人測量作業的關節臂分析軟件，能夠方便地完成位姿準確度、重復性等試驗的分析計算工作。但在檢測此類設備的姿態數據時，需在設備末端同時布置3個靶球，且根據設備的工作原理，跟蹤點在不同靶球之間的切換只能通過特定軟件預設完成而非自動完成。同時，靶球因設備末端的翻轉或部件遮擋導致丟光、靶球外殼與測試點發生碰撞等問題都會影響測試結果。

對于同屬于導航引導下的RA設備的穿刺機器人，被測末端不再是普通導航機器人機械臂末端的法蘭盤，而變成了活檢或消融針針尖，因此難以找到位置固定追蹤儀靶球，且針尖端承載輕微重量即會發生形變，因而影響性能檢驗準確性。而關節式坐標測量機及藍光掃描設備的非接觸式檢測方法能夠彌補激光追蹤儀的不足，為各類因末端受力導致形變的設備的檢測提供新的選擇。相較于激光追蹤儀，關節式坐標測量設備顯著的劣勢在于只能應用于靜態的測量，且每一點測試用時都將大大增加。

主從控制的RA設備精度指標的檢測則對測量設備提出了更高的要求：設備不僅需同時捕捉主端和從端的多個測量點以獲取姿態信息，且標記點應足夠輕以防負載能力只有幾十克的從臂末端手術器械發生彈性形變，還應在設備末端翻轉時盡量避免丟失追蹤的情況發生。因此，視覺動態跟蹤測量系統幾乎成為唯一滿足各項要求的設備選擇。然而紅外光學運動捕捉系統的精度往往僅能達到0.1 mm，目前由于主從控制的RA設備精度性能限制雖能滿足檢測需求，但隨著腔鏡類機器人的發展，將面臨精度不足以符合檢測不確定度要求的問題。

4 總結與展望

由于目前國內醫療手術機器人技術的高速發展，醫療機器人已成為一個多學科交叉的研究領域，涉及電子通信技術、機器人結構設計、機器人控制技術、計算機圖像處理、光學影像技術、虛擬現實技術、醫學和微創手術等方法，種類眾多，參數各異，并且隨著技術的不斷發展，5G、人工智能等新技術將不斷融入手術機器人中[12-15]。然而，與之相對的是檢測能力極大的滯后性。由于沒有統一的軟硬件檢測裝備，針對手術機器人安全和性能的測試數據的橫向對比評價無法進行。這不僅客觀上制約了我國手術機器人行業的快速健康發展，更對我國人民的用械安全構成了潛在隱患。本研究介紹了各式檢測設備各自的優勢與劣勢，可以看出，目前并沒有一款設備或檢測系統可以完全覆蓋RA設備所有精度指標的測量，因此根據設備特性在相應的測試中選擇合適的檢測設備成為高效完成檢測工作并獲得準確試驗數據的關鍵。在未來的研究與工作中，根據各類設備可二次開發的特點，應研發檢測精度更高、檢測過程自動化、高度通用性的RA設備精度檢測系統，使其能夠對手術機器人的安全性和有效性技術指標進行全面的測試，保障手術機器人測試的準確性及可靠性。該舉措將有助于提升我國手術機器人的性能評價水平，促進產業向更規范、高質量的方向發展。