中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院認(rèn)知與交互技術(shù)研究中心胡穎研究團(tuán)隊在機(jī)器人輔助椎板減壓切除術(shù)切削深度實時監(jiān)控方面的研究取得進(jìn)展。相應(yīng)成果為“Jiang ZL, Qi XZ, Sun Y, et al. Cutting depth monitoring based on milling force for robot-assisted laminectomy [J]. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2020, 17(1): 2-14(基于磨削力模型的機(jī)器人輔助椎板減壓手術(shù)切削深度監(jiān)控)”。

人體脊柱椎管狹窄是一種常見的骨科疾病，可引起一系列神經(jīng)系統(tǒng)癥狀。椎板減壓切除術(shù)是治療椎管狹窄癥的常見方法，由于該手術(shù)區(qū)域靠近脆弱的脊柱神經(jīng)，手術(shù)精度要求高、耗時長，因此經(jīng)驗豐富的醫(yī)師方可進(jìn)行此類手術(shù)。隨著科技的發(fā)展，采用機(jī)器人輔助手術(shù)越來越多地被人們所接受。為了防止機(jī)器人執(zhí)行器械末端磨頭磨穿椎板并傷害神經(jīng)，該研究提出一種基于磨削力模型的實時磨削深度監(jiān)控方法，以確保手術(shù)安全。

具體地，首先基于球形磨頭的幾何形狀建立其在不同深度的切削力模型；然后，采用牛骨作為磨削實驗材料，并采集實驗中的機(jī)器人末端執(zhí)行器械的力信號，對切削力模型中的未知參數(shù)通過粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行辨識；最后，通過多次實驗建立機(jī)器人磨削深度與磨削力之間的相互關(guān)系模型。

實驗結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)器人磨削深度在[0.8, 1.2] mm 時，基于磨削力的磨削深度預(yù)測結(jié)果精度可達(dá)±0.1 mm；當(dāng)深度增加到[1.2, 1.6] mm時，預(yù)測精度為±0.2 mm。

該研究所提出的基于磨削力模型的機(jī)器人磨削深度實時監(jiān)控方法，具有較好的臨床應(yīng)用價值，可實現(xiàn)機(jī)器人輔助椎板減壓手術(shù)的術(shù)中狀態(tài)精細(xì)感知，確保機(jī)器人手術(shù)安全。同時，相關(guān)技術(shù)可以很好地應(yīng)用在機(jī)器人輔助神經(jīng)外科、關(guān)節(jié)置換等手術(shù)中。

圖1 機(jī)器人磨削深度預(yù)測模型

圖2 球形磨頭幾何模型