"怀长期主义，聊医工科技"
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| 今天的文章中，超哥为大家详细介绍了远程操作技术及触觉反馈在医疗领域的最新进展与挑战。文章围绕机器人辅助手术、远程康复系统及远程诊断系统三大主要应用展开。在机器人辅助手术中，系统通过触觉反馈、力反馈等技术增强外科医生的操作感知和精准度，显著减少创伤并提升手术效果。应用领域涵盖骨科、神经外科、眼科和心血管手术，典型设备包括达芬奇机器人和MAKO系统。远程康复系统则利用外骨骼机器人和虚拟现实技术，帮助患者进行肢体运动功能恢复，特别适用于中风及神经系统疾病患者，通过远程技术扩大医疗覆盖范围。远程诊断系统如机器人超声，通过实时音视频和触觉反馈实现医生对远程患者的精准诊断，这在疫情期间的远程筛查中尤为重要。 |
一文看懂超声机器人RUSS关键技术与前沿应用 - 从腹部到心脏，妇产再到远程诊疗
深度综述 | 一文看懂“超声引导”手术机器人US-Guided Robot：从开放手术到微创处理再到无创治疗
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远程操作系统和触觉技术的关键在于主从控制架构、高精度传感器、触觉反馈技术及智能控制算法的结合，通过力反馈和触觉感知增强操作者对远程环境的实时感知与控制，配合高自由度机械臂实现复杂操作。同时，系统依赖低延迟网络通信、先进的人机交互界面及多模态数据融合技术来提高透明性和稳定性，确保远程医疗操作的精准性和安全性。
系统核心组成与架构
远程操作系统的核心在于主从控制架构。操作者通过主设备（如手柄、控制台）发送指令，远程的从设备（如手术机器人）执行相应操作。这一架构要求高精度的同步性，确保主设备的指令能够实时、准确地传递到从设备，同时从设备的反馈（如位置、速度、力等信息）也能及时返回给操作者。触觉反馈技术在其中扮演关键角色，通过提供力觉和触觉信息，使操作者能够感知远程环境的特性，例如组织的硬度、纹理和阻力等。这对于需要精细操作的医疗应用，尤其是外科手术，至关重要。
触觉反馈与传感器技术
实现高质量的触觉反馈，需要先进的传感器技术支持。力传感器用于检测机器人与组织间的作用力，触觉传感器则模拟皮肤感知，包括振动和温度等信息。这些传感器需要具备高精度和高响应速度，以确保反馈的实时性和准确性。此外，传感器数据的处理也至关重要，必须通过高效的算法对信号进行滤波和解算，消除噪声影响。当前的挑战在于触觉反馈的真实性和稳定性，尤其是在复杂的组织环境中，传感器需要能够准确区分不同组织的细微差异。
高自由度机械臂与硬件设计
高自由度的机械臂是远程操作系统的关键硬件之一。为了满足复杂医疗操作的需求，机械臂通常需要具备多个自由度，采用串联或并联结构。串联机械臂具有较大的工作空间和灵活性，适用于大范围操作；并联机械臂则具有高刚度和高精度，适用于精细操作。机械臂的设计还需要考虑人机工程学，以确保操作者能够自然、直观地控制远程设备。此外，网络通信模块需要支持高速、低延迟的数据传输，特别是在涉及远距离操作时，通信的稳定性和带宽成为关键技术挑战。
软件与控制算法
在软件层面，控制算法直接影响系统的性能和稳定性。为了应对复杂、多变的医疗环境，控制算法需要具备鲁棒性和适应性。常用的控制策略包括自适应控制、滑模控制、模糊控制和神经网络控制等。这些算法能够处理系统的不确定性和非线性特性，确保在存在外界干扰和参数变化的情况下，系统仍能稳定运行。触觉反馈的实现也依赖于先进的算法，通过对传感器数据的处理，生成准确的力反馈信号。此外，多模态信息融合技术将视觉、触觉和听觉等信息整合，为操作者提供更全面的感知。
技术难点与挑战
远程操作系统和触觉技术在医疗应用中面临多重挑战。首先是系统的稳定性与透明性的平衡。高透明性意味着操作者能准确感知远程环境，但可能会导致系统对通信延迟和噪声更加敏感，影响稳定性。其次，触觉反馈的真实性仍需提升，目前的技术难以完全再现组织的细微差异。此外，人机交互界面的设计需要兼顾易用性、安全性和适应性，为操作者提供直观、高效的操作体验。最后，数据传输中的带宽和延迟问题也需要解决，以确保实时性和可靠性。
未来发展方向
未来，远程操作系统和触觉技术将在智能化、集成化和个性化方向取得重要进展。人工智能和机器学习技术的引入，将优化控制算法，提高系统的自主性和适应性，使机器人能够根据手术环境和患者情况自我调整。硬件方面，将开发更加轻量化、高精度的机械臂和高分辨率的触觉传感器，提升系统的整体性能。多学科交叉融合也是趋势，将生物医学工程、计算机科学、人工智能和通信技术相结合，推动技术创新。与此同时，5G等新一代通信技术的应用，将有效解决数据传输的延迟和带宽问题，提升系统的实时性和可靠性。
1. 引言
远程操作技术和触觉技术近年来在医疗领域取得了重大突破。这些技术最初用于工业和危险环境操作，但随着技术的发展，逐步扩展到医疗领域，特别是在机器人手术、远程康复和远程诊断等方面。这些系统通过增强操作者的感知能力、决策能力和操作能力，为改善医疗质量提供了创新手段。
2. 医疗远程操作系统的主要应用
2.1 机器人辅助手术
定义与优势：机器人辅助手术利用机器人技术帮助外科医生执行高精度的复杂手术，相较传统手术方式具有创伤小、恢复快的特点。
应用领域：
骨科手术：如全髋关节置换、全膝关节置换等，利用机器人手臂和光学追踪设备提高手术精确性。
神经外科：采用立体定向导航和触觉反馈技术，实现对脑部软组织的高精度操作。
牙科手术：通过3D成像技术和触觉反馈系统辅助牙种植和手术操作。
眼科手术：通过机器人消除手部颤动，提高显微手术的精度。
心血管手术：心脏手术中，机器人能够同步补偿心脏跳动，保证手术稳定性。
技术挑战：包括时间延迟、透明性和稳定性不足，以及触觉反馈的实现难度。
髋关节和膝关节手术中机器人辅助手术系统概述
2.2 远程康复系统
作用：远程康复系统通过机械外骨骼和触觉反馈技术，帮助患者进行肢体功能恢复，尤其适用于因中风、脑瘫或帕金森病引起的运动障碍。
优势：
广泛覆盖：能够让偏远地区或行动不便的患者在家中接受康复治疗。
多患者同时管理：通过一对多的模式降低治疗师负担。
技术支持：利用传感器实时监控患者运动，并通过中央平台分析数据，为康复计划提供个性化建议。
主要系统：
上肢康复机器人（如肩部、肘部、手腕的运动康复设备）。
下肢康复机器人（如髋关节和膝关节的软外骨骼装置）。
技术难点：包括人机交互的优化、运动控制算法的改进以及视觉与触觉数据流的同步。
远程康复的示例：(a) 仅用于髋关节的柔性外骨骼；(b) 在步态康复中使用拉索的基本概念；(c) 用于下肢的并联外骨骼；(d) 当前的商业化上肢康复设备。
2.3 远程诊断系统
远程超声：结合机器人和触觉反馈的超声设备，可由远程医生操控，实时获取患者身体的影像信息。
智能化诊断：例如乳腺癌筛查机器人通过3D成像和触觉输入设备提供高精度诊断。
COVID-19推动的应用：疫情期间，远程机器人被用于鼻咽拭子采集、听诊等高风险诊断操作。
典型案例：MELODY远程超声系统和7自由度Franka Emika机器人。
3. 医疗远程操作系统的挑战与技术瓶颈
透明性：实现主从设备的动作与反作用力匹配，确保操作者能够精准感知远程环境。
稳定性：在系统存在时间延迟或外部干扰的情况下，确保操作系统的稳定运行。
触觉反馈：当前触觉设备在实现高质量反馈方面仍存在技术瓶颈，例如软硬组织的辨别精度不足。
控制算法：非线性动态模型、参数不确定性和复杂的手术环境对控制器设计提出了更高要求。
带宽限制：数据传输中的带宽问题影响触觉反馈的透明性和系统响应速度。
DOB/RFOB block diagram
医疗远程操作系统的一些控制方法
4. 未来发展方向
智能控制：通过引入人工智能和机器学习技术，优化控制算法，提升手术系统的自主性和适应性。
人机交互：设计更加友好和安全的人机交互界面，结合触觉与视觉反馈，提高用户体验。
触觉增强：研究更高分辨率的触觉反馈技术，为医生提供更加真实的手术操作感。
远程手术网络优化：利用5G等高效网络技术，解决通信延迟问题，进一步提升系统的实时性。
多模态集成：将超声、MRI等多种成像技术整合，为远程诊断和导航提供更全面的数据支持。
教育与培训：开发虚拟现实模拟系统，提高外科医生对机器人手术的掌握能力。
用于跳动心脏手术的手术机器人控制系统示意图人类操作员在本地操控主机器人，并向远程的从机器人发送位置指令。安装在心脏模拟器末端的摄像头为操作员提供跳动心脏的稳定视图。H/M接触力是指“人-主设备接触力”的缩写。
5. 结论
远程操作系统和触觉技术正推动现代医疗迈向更加智能化、远程化的方向。这些技术在机器人手术、康复治疗和远程诊断等领域展现出巨大潜力。然而，要实现更广泛的临床应用，仍需解决诸如透明性、稳定性和触觉反馈等技术难题。未来的研究将重点关注更智能化和个性化的控制方法，以及更高效的人机交互模式，以提升医疗服务的质量和效率。
参考文献
[1] A. Naceri et al., “Tactile Robotic Telemedicine for Safe Remote Diagnostics in Times of Corona: System Design, Feasibility and Usability Study,” IEEE Robot. Autom. Lett., vol. 7, no. 4, pp. 10296–10303, 2022, doi: 10.1109/LRA.2022.3191563.
[2] Y. Sheng, H. Cheng, Y. Wang, H. Zhao, and H. Ding, “Teleoperated Surgical Robot with Adaptive Interactive Control Architecture for Tissue Identification,” Bioengineering, vol. 10, no. 10, 2023, doi: 10.3390/bioengineering10101157.
[3] H. Kolbari, S. Sadeghnejad, M. Bahrami, and K. E. Ali, “Adaptive Control of a Robot-Assisted Tele-Surgery in Interaction With Hybrid Tissues,” J. Dyn. Syst. Meas. Control, vol. 140, no. 12, Dec. 2018, doi: 10.1115/1.4040818.
[4] S. Sadeghnejad, F. Khadivar, M. Esfandiari, G. Amirkhani, H. Moradi, F. Farahmand, G. Vossoughi, "Using an improved output feedback MPC approach for developing a haptic virtual training system," Journal of Optimization Theory and Applications,198(2), 745-66, 2023, doi: 10.1007/s10957-023-02241-0.
[5] P. Biswas, S. Sikander, and P. Kulkarni, “Recent advances in robot-assisted surgical systems,” Biomed. Eng. Adv., vol. 6, no. October, p. 100109, 2023, doi: 10.1016/j.bea.2023.100109.
[6] S. Sadeghnejad, M. Esfandiari, and F. Khadivar, “A virtual-based haptic endoscopic sinus surgery (ESS) training system: From development to validation,” Med. Healthc. Robot. New Paradig. Recent Adv., no. Casals 1998, pp. 201–219, 2023, doi: 10.1016/B978-0-443-18460-4.00002-0.
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我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
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