謝能 曹其新 王金武

1 上海市醫(yī)療器械化妝品審評(píng)核查中心 （上海 200020）

2 上海交通大學(xué) （上海 200240）

3 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院 （上海 200011）

內(nèi)容提要： 本文旨在通過對(duì)醫(yī)用機(jī)器人的導(dǎo)航控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，視覺識(shí)別控制系統(tǒng)，操作控制系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)加以識(shí)別和研究，為后期的監(jiān)管打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

隨著達(dá)芬奇腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人在全球的推廣應(yīng)用機(jī)器人，醫(yī)用機(jī)器人也作為一個(gè)獨(dú)立的分支，開始步入人們的視線。

在這個(gè)領(lǐng)域中，伴隨著人工智能技術(shù)、語(yǔ)音視覺識(shí)別技術(shù)的不斷深化應(yīng)用，醫(yī)用機(jī)器人也開始滲透到臨床應(yīng)用的方方面面中。

其中有用于手術(shù)的醫(yī)用機(jī)器人，針對(duì)不同的組織器官軟硬條件，手術(shù)要求也各不相同，開始分化為專用的單科手術(shù)機(jī)器人[1]。如骨科手術(shù)機(jī)器人偏重于骨組織，如脊柱病灶部位的切除、置換手術(shù)。在手術(shù)操作過程中，要求精準(zhǔn)定位病灶部位，通過影像導(dǎo)航，實(shí)時(shí)精確的切除病灶，置換骨植入物。在該手術(shù)中，對(duì)于手術(shù)機(jī)器人的定位精度、人機(jī)協(xié)調(diào)性、工作魯棒性、反饋靈敏性都提出了極高的要求。

醫(yī)用采樣機(jī)器人在大規(guī)模的核酸采樣和抽血中開始慢慢采用。當(dāng)前的采樣工作，均采用人工采樣[2]。工作量大，重復(fù)性強(qiáng)，醫(yī)生患者雙方的傳染風(fēng)險(xiǎn)都很高。采樣機(jī)器人通過機(jī)器人視覺識(shí)別、定位合理的采樣部位，結(jié)合力反饋傳感器裝置，做到采樣過程的力度可控，在保證采樣的有效性的同時(shí)，能更有效的防止病毒的傳播和感染。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程，可保證采樣動(dòng)作的一致性，進(jìn)一步提高采樣的有效性。

齒科手術(shù)機(jī)器人用于種植牙手術(shù)，機(jī)器人結(jié)合CT、MRI圖像完成患者齒部的位置定位，結(jié)合手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)和手術(shù)導(dǎo)板來完成種植牙的種植，能有效的避免在手術(shù)中碰觸敏感面部口腔神經(jīng)，導(dǎo)致的面部癱瘓等不良手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

穿刺機(jī)器人可以通過精準(zhǔn)的圖像定位，減少主觀因素的影響，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和患者射線輻射量，極大的提高手術(shù)效率和精確度，減少傷害的產(chǎn)生[3]。

醫(yī)用放療手術(shù)機(jī)器人可以克服目前的放療設(shè)備過大，轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，設(shè)備占用空間過大。同時(shí)由于轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活導(dǎo)致無法提高對(duì)應(yīng)的擺放精度。醫(yī)用放療手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行了輕量化的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有多角度、多關(guān)節(jié)的擺放能力，對(duì)應(yīng)的擺放精度、靈活性和空間占用率都得到了大幅度的提高。保證了整個(gè)放療手術(shù)的有效性和快捷性。

這些醫(yī)用機(jī)器人部分解決了，目前全球范圍內(nèi)的醫(yī)療資源不均衡現(xiàn)狀。地處偏遠(yuǎn)地區(qū)的患者，也能夠由發(fā)達(dá)地區(qū)的醫(yī)學(xué)專家遠(yuǎn)程進(jìn)行手術(shù)操作。同時(shí)由于目前大量復(fù)雜手術(shù)的學(xué)習(xí)曲線時(shí)間過長(zhǎng)，成本過高。成長(zhǎng)為一個(gè)熟練的手術(shù)醫(yī)生，需要進(jìn)行大量的手術(shù)演練和手術(shù)實(shí)操案例的培訓(xùn)。醫(yī)用手術(shù)機(jī)器人，可以大幅縮短這一過程，幫助醫(yī)生迅速達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的手術(shù)操作水平。

同時(shí)醫(yī)用機(jī)器人在大規(guī)模的疫情中，作為采樣的輔助力量，可以大幅解放醫(yī)療人員的人力資源，用于醫(yī)療行為，為應(yīng)對(duì)大規(guī)模的疫情爆發(fā)進(jìn)行必要的資源支持。

整個(gè)醫(yī)用機(jī)器人的操作流程基本遵循了“感應(yīng)-決策-行為-反饋”的閉環(huán)流程。

醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)基本劃分為導(dǎo)航控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，視覺識(shí)別控制系統(tǒng)，操作控制系統(tǒng)等。根據(jù)不同系統(tǒng)的要求，對(duì)控制點(diǎn)加以分析和探討。

1.導(dǎo)航控制系統(tǒng)

目前手術(shù)應(yīng)用操作的安全技術(shù)要求越來越高，有些已在毫米級(jí)要求以下，而這樣的手術(shù)操作精準(zhǔn)性的要求，對(duì)手術(shù)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的手術(shù)定位提出了極高的要求。

醫(yī)用機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)分為磁定位系統(tǒng)、光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)[4]。

1.1 光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)

光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)就是在患者的表面貼上對(duì)應(yīng)的光學(xué)標(biāo)簽，進(jìn)行手術(shù)過程中的導(dǎo)航和定位的系統(tǒng)。但是這一系統(tǒng)最大問題是手術(shù)準(zhǔn)備期進(jìn)行定位點(diǎn)設(shè)定，粘帖和手術(shù)導(dǎo)航規(guī)劃的安排時(shí)間過長(zhǎng)。而目前大量的門診需求，和手術(shù)的時(shí)效性來說，存在過長(zhǎng)的時(shí)間準(zhǔn)備期。由于只能根據(jù)體表光學(xué)定位點(diǎn)來進(jìn)行導(dǎo)航，對(duì)于體內(nèi)的情況無法進(jìn)行追蹤，存在較大的使用不便性。

1.2 磁導(dǎo)航系統(tǒng)

磁定位系統(tǒng)的磁定位器集成在醫(yī)療器械操作端內(nèi)。在磁場(chǎng)發(fā)生器的作用下，在設(shè)定磁場(chǎng)范圍內(nèi)，對(duì)磁感應(yīng)線圈追蹤所處的位置。但是由于磁場(chǎng)范圍較小，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)范圍受到了較大的影響，同時(shí)由于在檢查過程中可能會(huì)使用到核磁共振類等設(shè)備，可能產(chǎn)生較大的電磁干擾影響，對(duì)手術(shù)的操作和視覺的清晰程度，產(chǎn)生不同程度的影響。

1.3 導(dǎo)航系統(tǒng)誤差分析和控制

導(dǎo)航系統(tǒng)誤差比較大的原因，主要來自于圖像的成像和實(shí)際的患者體位偏差，以及呼吸過程的擾動(dòng)帶來組織的不斷運(yùn)動(dòng)和變化。其二是定位技術(shù)的原因，不同的定位技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺陷，不同的定位技術(shù)帶來了對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)誤差。第三是不同的導(dǎo)航算法，由于算法的不同，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)定位精度也會(huì)發(fā)生很大的區(qū)別。第四是影像的干擾，由于患者成像過程中會(huì)出現(xiàn)偽影，偽影會(huì)使得影像存在一定的差異，導(dǎo)致整體導(dǎo)航的漂移。

應(yīng)在導(dǎo)航應(yīng)用注意圖像的成像質(zhì)量、患者的手術(shù)體位、算法的補(bǔ)償說明。

2.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)模型的建立，軌跡規(guī)劃和插補(bǔ)計(jì)算，視覺伺服系統(tǒng)控制等。

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

空間中的位置需要被準(zhǔn)確的記錄，不但要記錄目標(biāo)坐標(biāo)系的坐標(biāo)值。也要記錄目標(biāo)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的方向關(guān)系，是構(gòu)建機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型的核心技術(shù)。

正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是醫(yī)用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的主要的手段。

正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，就是根據(jù)醫(yī)用機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)位姿，來求導(dǎo)出機(jī)械臂末端的空間位姿。逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，就是根據(jù)醫(yī)用機(jī)器人工作末端的空間位姿，來反向求解機(jī)器人各關(guān)節(jié)的空間位姿。

正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，由于根據(jù)各機(jī)械臂關(guān)節(jié)的空間位姿，能求出工作末端的唯一解。而逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，根據(jù)機(jī)械臂末端的空間位姿，可以求出的各機(jī)械臂關(guān)節(jié)的空間位姿，存在一解、多解、無數(shù)解的情況，所以逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析比正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析復(fù)雜很多。目前逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析一般采用解析法、幾何法和相應(yīng)的其他人工智能算法來加以輔助，方便求出對(duì)應(yīng)解中的最優(yōu)解。

運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析只是求出對(duì)應(yīng)的末端工作器空間位姿，但是在實(shí)際的操作中，末端工作器會(huì)發(fā)生微小的變形操作，而這些微小的變化應(yīng)通過微分運(yùn)動(dòng)學(xué)的方式來加以研究，得出相應(yīng)的模型。

應(yīng)在核查審評(píng)過程中，加強(qiáng)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型算法及末端工作器的微分運(yùn)動(dòng)學(xué)模型加以關(guān)注，明確對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制要求。

2.2 奇異點(diǎn)問題

在運(yùn)動(dòng)學(xué)建模中常用的為D-H（Denavit-Hartenberg）模型方法。在該模型中會(huì)遇到的奇異點(diǎn)問題，即醫(yī)用機(jī)器人的機(jī)械臂，多軸的軸線處在同一軸線，即關(guān)節(jié)角度為零度時(shí)，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生三種情況。

首先，機(jī)器人的自由度減少，無法正常的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。其次，機(jī)器人的關(guān)節(jié)角速度會(huì)突然增大，導(dǎo)致機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)失控，嚴(yán)重的可能發(fā)生醫(yī)害事故。第三種情況會(huì)出現(xiàn)，可能醫(yī)用機(jī)器人無法進(jìn)行正常的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，得出無數(shù)解進(jìn)而死機(jī)導(dǎo)致手術(shù)過程的突然中斷。

針對(duì)多軸機(jī)器人，奇異點(diǎn)可能存在于腕部、肩部、肘部等。在實(shí)際的監(jiān)管過程中，應(yīng)要求提供運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的模型算法說明和具體的指令說明，明確在可運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)如何避開奇異點(diǎn)，以防止傷害事故的發(fā)生。

2.3 誤差補(bǔ)償和控制

從醫(yī)用機(jī)器人的定位誤差來說，主要是有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩種形式的誤差存在。

系統(tǒng)誤差主要是由機(jī)械臂的尺寸等相關(guān)的幾何參數(shù)導(dǎo)致的，在設(shè)計(jì)過程中和生產(chǎn)過程中機(jī)械臂的設(shè)計(jì)尺寸和實(shí)際的機(jī)械臂尺寸存在一定的誤差，每個(gè)機(jī)械臂單元誤差的疊加導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)誤差。

另一方面醫(yī)用機(jī)器人還有隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差是由于在不同的使用環(huán)境中，如機(jī)器人使用操作環(huán)境的溫度不同，對(duì)于使用的產(chǎn)品的材料有不同的熱膨脹和收縮系數(shù)，導(dǎo)致隨機(jī)誤差的產(chǎn)生。在機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)中，長(zhǎng)期的使用會(huì)帶來摩擦和潤(rùn)滑劑性能的下降，因素疊加，會(huì)產(chǎn)生不同的隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差就是帶有一定的隨機(jī)性，這些疊加的不確定性的誤差就叫做隨機(jī)誤差。

針對(duì)系統(tǒng)誤差，一般使用幾何參數(shù)標(biāo)定的方法來進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)定。主要是對(duì)整個(gè)醫(yī)用機(jī)器人進(jìn)行幾何參數(shù)的標(biāo)定。一般將底座設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，每個(gè)關(guān)節(jié)、機(jī)械臂的坐標(biāo)系參考坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。采用的常用方法是基于模型的疊加方法。

另一種是無參數(shù)的標(biāo)定方法。無參數(shù)的標(biāo)定是直接針對(duì)手術(shù)機(jī)器人的末端的來進(jìn)行參數(shù)的標(biāo)定。在該過程中，一般會(huì)使用到智能的算法。目前尚未成為醫(yī)用機(jī)器人使用的標(biāo)定主流方法。

也有采用含有多參數(shù)的位姿傳遞矩陣來進(jìn)行誤差補(bǔ)償[5]。針對(duì)目前不少醫(yī)用機(jī)器人采用柔性構(gòu)件的實(shí)際情況，將柔性構(gòu)件定義為彈性彈簧來加以分析，建立了機(jī)器人的柔度誤差補(bǔ)償模型[6]。通過根據(jù)機(jī)器人的工作空間進(jìn)行虛擬仿真環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)化的劃分，采用數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣的形式來進(jìn)行跟蹤和采樣，最后在網(wǎng)格空間中加以參數(shù)誤差補(bǔ)償。

采用自適應(yīng)的方法建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊算法加以補(bǔ)償，有通過附加控制算法來保證定位的精度，有通過增加激光跟蹤儀加以跟蹤來進(jìn)行驗(yàn)證的方式，明確補(bǔ)償誤差補(bǔ)償方式的可靠性。應(yīng)明確提供機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行算法中把誤差補(bǔ)償要求加以帶入。

由于機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，受限于工作場(chǎng)合和實(shí)際的工程進(jìn)展，存在很多的不確定性，目前大部分用醫(yī)用機(jī)器人采用的誤差補(bǔ)償方法均為離線補(bǔ)償模式，應(yīng)要求提供對(duì)應(yīng)的誤差補(bǔ)償方法的算法說明，包含相應(yīng)的誤差補(bǔ)償模型算法。

醫(yī)用機(jī)器人在不同的工況及負(fù)載情況下，對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)位姿誤差也是不盡相同的。應(yīng)針對(duì)不同的工況、負(fù)載情況加以驗(yàn)證。高負(fù)載和低負(fù)載情況下的受力情況不同，應(yīng)提供相應(yīng)的誤差補(bǔ)償算法說明，通過對(duì)應(yīng)的正向和逆向的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來得到末端位置誤差模型。

3.視覺識(shí)別控制系統(tǒng)

離線誤差補(bǔ)償方法，雖然可以極大的提高機(jī)器人末端的定位精度，但是還是無法實(shí)時(shí)的獲取醫(yī)用機(jī)器人的定位參數(shù)，一旦在實(shí)際操作過程中，遇到突發(fā)情況或臨時(shí)需要進(jìn)行調(diào)整時(shí)，無法進(jìn)行有效的切換，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)隱患。在實(shí)際使用過程中，目前有機(jī)構(gòu)逐步嘗試采用實(shí)時(shí)視覺識(shí)別的方法加以誤差補(bǔ)償，在機(jī)器人的工作末端頭部，裝配實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，來保證實(shí)施定位的精確性和有效性。

在早期的醫(yī)用機(jī)器人中，大部分的醫(yī)用機(jī)器人采用的是離線模型及示教的方式進(jìn)行路徑規(guī)劃，而一旦手術(shù)過程發(fā)生變化時(shí)，不得不使用重新設(shè)計(jì)的方式，這一過程極大影響了手術(shù)效率和提高了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。目前有大量的醫(yī)用機(jī)器人開始采用視覺識(shí)別的方法，通過視覺采集的信號(hào)加以提取和分析，進(jìn)行跟蹤和檢測(cè)，并驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂末端進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，提高手術(shù)效率和降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 手眼標(biāo)定

醫(yī)用機(jī)器人的手眼標(biāo)定問題，機(jī)器人的手即機(jī)器人的末端，眼睛即為攝像頭。通過攝像頭看到的物體信息，傳遞給控制系統(tǒng)，然后由控制系統(tǒng)發(fā)出指令去驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。

目前在主要采用兩種方式，一種是Eye-in-hand模式，就是將識(shí)別攝像頭安置在機(jī)械臂操作末端上。Eye-in-hand這種模式優(yōu)點(diǎn)在于良好的動(dòng)作跟隨性、識(shí)別精度高。另外一種模式是Eye-to-hand模式，Eye-to-hand模式識(shí)別誤差精度不如Eye-in-hand，但是對(duì)誤差的容忍度較高。在使用視覺識(shí)別過程中，攝像機(jī)多采用單目、雙目及多目的系統(tǒng)[7]。多目系統(tǒng)對(duì)于是視覺識(shí)別占用的運(yùn)算資料量大，目前使用的數(shù)量并不多。雙目系統(tǒng)能進(jìn)行精確的標(biāo)識(shí)，對(duì)于手術(shù)的操作具有極大的便利性。

應(yīng)明確機(jī)器人系統(tǒng)的手眼標(biāo)定控制要求。因?yàn)閳D像傳感器中的感光像素的單元長(zhǎng)度、寬度均不同，會(huì)影響相應(yīng)最終的識(shí)別成像效果和控制系統(tǒng)操作。進(jìn)行參數(shù)的檢驗(yàn)，并進(jìn)行標(biāo)定。提供對(duì)應(yīng)的標(biāo)定說明。攝像頭實(shí)時(shí)拍攝物體圖像，物體的投影會(huì)在圖像傳感器的感光元器件表面形成像素點(diǎn)，同時(shí)攝像頭和工作面之間的運(yùn)動(dòng)位置在不斷變化，應(yīng)明確對(duì)應(yīng)的成像雅克比特征矩陣和機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)雅克比特征矩陣之間的關(guān)系，即明確攝像頭和機(jī)械臂的內(nèi)部和外部參數(shù)的標(biāo)定。

3.2 算法模型控制

機(jī)器人視覺識(shí)別與控制，主要是從圖像中對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)、提取，按照提取出的區(qū)域特定位置特征比對(duì)預(yù)期位置特征，符合預(yù)設(shè)范圍的，醫(yī)用機(jī)器人的末端按照規(guī)劃路徑予以行動(dòng)。

簡(jiǎn)單而又快速的從圖像中去識(shí)別出特定的區(qū)域部位，是識(shí)別難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。

從圖像包含的識(shí)別區(qū)域，要進(jìn)行填充，提取出對(duì)應(yīng)的特征部位，進(jìn)行相應(yīng)特征區(qū)域分割和輪廓提取，最后結(jié)合分類器進(jìn)行圖片的視覺識(shí)別。

目前常用的填充算法有泛洪算法（Flood Fill），該算法主要是在圖像中設(shè)置若干種子點(diǎn)作為起始點(diǎn)，然后比較種子點(diǎn)和周邊相鄰像素點(diǎn)的像素值，當(dāng)兩者之差不超過設(shè)定值時(shí)，對(duì)比較的像素點(diǎn)設(shè)定為某一顏色。

填充算法的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，是閾值大小的選擇。閾值設(shè)置過大，圖像的選擇范圍也會(huì)更大，造成選擇范圍過大。如何選擇合理的閾值大小范圍，是保證目標(biāo)特征，快速準(zhǔn)確提取的一個(gè)關(guān)鍵。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化元素的操作，基本有消融和膨脹兩種處理方式。當(dāng)輸入的圖像里面，相鄰元素在結(jié)構(gòu)化元素的確認(rèn)范圍內(nèi)，即使對(duì)應(yīng)元素的輸出值為零像素或者為非零值。形態(tài)學(xué)的這種處理方式。對(duì)于二元圖像能快速的處理圖像中多余的噪聲。

提取輪廓首先選取預(yù)定的種子點(diǎn)，然后對(duì)初始點(diǎn)進(jìn)行編碼。按照輪廓點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的比較和賦值，形成鏈碼。經(jīng)過不斷的重復(fù)上述的操作，直到完成對(duì)輪廓的跟蹤。

支持向量機(jī)（SVM）是在分類檢測(cè)中應(yīng)用比較廣泛的方法。適用于訓(xùn)練樣本數(shù)量不是特別大的場(chǎng)景。在目前的醫(yī)用領(lǐng)域有比較多的應(yīng)用，可以很大程度上解決機(jī)器學(xué)習(xí)的維數(shù)災(zāi)難問題。對(duì)應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)算法也在不斷的完善中。SVM原理主要是把訓(xùn)練用的樣本數(shù)據(jù)，映射到一個(gè)高緯度的坐標(biāo)空間中，然后取得最優(yōu)的線性分類器成為高維空間中的一種超平面，然后將工作中遇到的類似數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和檢測(cè)。

對(duì)于SVM算法要考慮何種類型的圖像作為原型，來產(chǎn)生特定的特征向量是核心關(guān)鍵。在實(shí)際的驗(yàn)證過程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)針對(duì)不同的人體體位，相機(jī)的位置不同，產(chǎn)生的識(shí)別效率和精度也是不一致的。

應(yīng)針對(duì)上述填充算法閾值選擇，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的操作要求，輪廓的提取算法，機(jī)器學(xué)習(xí)的算法及樣本模型加以明確要求，使后期的使用風(fēng)險(xiǎn)得以控制。

3.3 視覺識(shí)別控制

目前采用的實(shí)時(shí)視覺識(shí)別監(jiān)測(cè)方法主要存在以下的問題。

3.3.1 景深問題

由于目前的視覺識(shí)別控制系統(tǒng)主要是將三維的圖像投影到二維的圖像傳感器上，處于二維平面感知系統(tǒng)，無法獲得在Z軸向上的深度信息。造成在使用中定位的不準(zhǔn)確，造成醫(yī)生在使用過程中無法感知到在深度方向上的位置信息，使得手術(shù)失敗。

有單位嘗試使用深度相機(jī)，通過紅外、結(jié)構(gòu)光測(cè)距來進(jìn)行深度的反饋。但在狹窄、運(yùn)動(dòng)、漫反射的狹小手術(shù)空間內(nèi)，由于測(cè)距數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確使得深度信息不夠準(zhǔn)確，容易導(dǎo)致手術(shù)事故。

針對(duì)上述問題，應(yīng)提供對(duì)應(yīng)的控制算法說明和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)控制要求加以補(bǔ)償。

3.3.2 圖像清晰度

由于部分醫(yī)用機(jī)器人的手術(shù)操作環(huán)境都處于狹窄、多血液、模糊狹小的空間內(nèi)。使用的攝像頭等多為微型攝像頭，存在圖像機(jī)畸變嚴(yán)重的問題。特別是在邊緣部分，圖像的畸變現(xiàn)象尤為明顯。如何處理圖像的畸變，以保證觀察點(diǎn)位置和實(shí)際標(biāo)定位置的一致性，必須在相應(yīng)的控制算法，及標(biāo)定說明中加以明確，并應(yīng)明確對(duì)應(yīng)誤差補(bǔ)償算法能在控制指令得以實(shí)施。

3.3.3 延遲性

由于醫(yī)用機(jī)器人操作中，主手（醫(yī)生手術(shù)控制端）到從手（機(jī)器人末端）操作位置，存在一定的反饋延遲性。會(huì)存在手術(shù)末端尚未執(zhí)行相對(duì)應(yīng)動(dòng)作，而手術(shù)控制端已經(jīng)開始執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作的情況。由于手術(shù)動(dòng)作和視覺反饋延遲，造成整個(gè)手術(shù)定位的漂移。位置的漂移又會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工作中的手術(shù)器械的碰撞，器械和組織見的非預(yù)期擦碰等手術(shù)問題。

應(yīng)明確視覺識(shí)別中，對(duì)應(yīng)視覺延遲補(bǔ)償?shù)乃惴ㄕf明和具體控制要求。

4.操作控制系統(tǒng)

目前的操作控制系統(tǒng)，廣義上分為封閉式控制系統(tǒng)、半開放式控制系統(tǒng)和開放式控制系統(tǒng)。其中封閉式控制系統(tǒng)，多采用專用的機(jī)器人語(yǔ)言和專用操作系統(tǒng)。在操作上具有封閉、黑盒處理的特點(diǎn)?？蓴U(kuò)展性、一致性、容錯(cuò)性均不足，難以迅速吸收、迭代外部的一些新的功能軟件。

目前越來越的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開始大量使用開放性軟件操作平臺(tái)，ROS操作系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)和實(shí)際醫(yī)用[8]。

機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS（Robot Operating System）是一個(gè)開發(fā)機(jī)器人系統(tǒng)的分布式軟件操作系統(tǒng)框架，有大量的工具庫(kù)集成?？梢栽贚inux、Windows等操作平臺(tái)上運(yùn)轉(zhuǎn)，類似于機(jī)器人運(yùn)行的操作系統(tǒng)。ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)涉及三個(gè)層級(jí)，文件系統(tǒng)層級(jí)、計(jì)算機(jī)圖像層級(jí)、社區(qū)層架，是一個(gè)開放的系統(tǒng)架構(gòu)。該控制系統(tǒng)類似于機(jī)器人界的Windows系統(tǒng)。具有良好的人機(jī)交互性和拓展性，擁有豐富的平臺(tái)資源，全球數(shù)以萬(wàn)計(jì)的開發(fā)者正不斷的加以開發(fā)。

在ROS系統(tǒng)中有Moveit軌跡規(guī)劃開源軟件。該軟件含有開源的OMPL數(shù)據(jù)庫(kù)（Open Motion Planning Library），可以使用合適的算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)路徑的規(guī)劃。Moveit軌跡規(guī)劃工具功能強(qiáng)大，含有運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)算法選擇、碰撞檢驗(yàn)等，具有強(qiáng)大的功能。同時(shí)通過Rviz三維可視化工具及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃軟件，可以驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)按照虛擬軟件現(xiàn)實(shí)進(jìn)行操作，是接下來醫(yī)用機(jī)器人操作開發(fā)的一個(gè)基礎(chǔ)性的平臺(tái)。

在ROS系統(tǒng)中有Find Object_2D功能包，是一種基于模板匹配的物體識(shí)別和檢測(cè)功能包，通過它提供的識(shí)別功能，可以標(biāo)記并進(jìn)行特征檢測(cè)，根據(jù)識(shí)別的特征點(diǎn)去比對(duì)預(yù)期特征點(diǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。在ROS下的Rviz軟件中加以仿真和實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)。

要求提供對(duì)應(yīng)開放平臺(tái)的二次開發(fā)說明，對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)版本控制要求是接一個(gè)時(shí)期需要不斷思考的控制點(diǎn)。

5.展望

醫(yī)用機(jī)器人領(lǐng)域日新月異，每天全球都在傳來激動(dòng)人心的臨床應(yīng)用新進(jìn)展。如何規(guī)范醫(yī)用機(jī)器人的開發(fā)和控制，規(guī)避對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，是每一個(gè)行業(yè)從業(yè)者接下來需要不斷學(xué)習(xí)和思考的要求。