玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)，整個手術(shù)需要在眼內(nèi)進(jìn)行，手術(shù)時需要較高的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定度，對于人工手術(shù)來說難度極大。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)，即使對于經(jīng)驗最豐富的外科醫(yī)生來說，也是幾乎不可能完成的。
2016 年，英國牛津約翰·拉德克里夫醫(yī)院的外科醫(yī)生，實施了全球首例機(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），即一個機(jī)器臂助手，該機(jī)器臂會衡量主刀醫(yī)生的動作，并能過濾醫(yī)生的手部抖動，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)的運動控制器控制，主刀醫(yī)生手動操作著該控制器。
最近，Preceyes 開始在鹿特丹眼科醫(yī)院實施了臨床試驗。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)合的驗證。該傳感器能夠測量手術(shù)器械和視網(wǎng)膜之間的距離。依托該傳感器所帶來的安全性和實時距離數(shù)據(jù)，對于要求苛刻的視網(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)和評估的寶貴數(shù)據(jù)來源。Preceyes 的工程師使用基于模型的設(shè)計流程，借助 matlab?、Simulink? 和 Simulink Real-Time? 設(shè)計并實現(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，還能對現(xiàn)有療法進(jìn)行改善，比如視網(wǎng)膜上長出的病變膜剝離，以及眼房水更換。
在實現(xiàn)這些目標(biāo)的過程中，Preceyes 團(tuán)隊始終堅持兩個優(yōu)先原則：
確保患者手術(shù)安全
盡可能高效地生產(chǎn)出一臺臨床研究設(shè)備
為了在限定的開發(fā)時間和安全性要求下完成設(shè)計目標(biāo)，Preceyes 的工程師們需要借助建模和仿真技術(shù)的優(yōu)勢，這種技術(shù)在多個行業(yè)的安全攸關(guān)的應(yīng)用中已經(jīng)大量使用。具體來說，工程師們需要對復(fù)雜的控制邏輯進(jìn)行建模，接著對其設(shè)計進(jìn)行功能驗證，首先通過仿真，然后部署到真實的機(jī)器人上進(jìn)行實時測試。除了實時控制軟件之外，該團(tuán)隊還需要開發(fā)一套運行在 PC 上的非實時應(yīng)用程序，通過該程序的接口，主治醫(yī)師在手術(shù)前和手術(shù)過程中可以配置系統(tǒng)的設(shè)置。
解決方案
Preceyes 采用了基于模型的設(shè)計流程，借助 MATLAB、Simulink 和 Simulink Real-Time 加速其 RPECEYES 外科手術(shù)系統(tǒng)實時控制軟件的開發(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)器人的運動學(xué)和動力學(xué)模型，Preceyes 的工程師們采用了系統(tǒng)辨識的方法，借助 Simulink Real-Time 對機(jī)器人的 11 個電機(jī)產(chǎn)生激勵信號，然后分別測量各自由度的響應(yīng)。
在 MATLAB 中對這些測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和擬合后，工程師們在 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)器人被控對象模型。
接著，團(tuán)隊開發(fā)了一個控制器模型，該模型處理來自系統(tǒng)操縱桿的輸入信號和大約 60 路傳感器（包括光學(xué)和磁編碼器）信號，并產(chǎn)生相應(yīng)的電機(jī)控制信號，驅(qū)動手術(shù)器械，以響應(yīng)外科醫(yī)生的手部動作。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)點進(jìn)行通信。
團(tuán)隊使用 Stateflow? 對系統(tǒng)各工作模式進(jìn)行了順序邏輯建模，包括校正，初始化和自我驗證。
在對控制器的基本功能和控制邏輯進(jìn)行仿真驗證后，工程師們借助 Simulink Coder? 從模型生成代碼，并將編譯后的目標(biāo)碼部署到一臺運行 Simulink Real-Time 的實時目標(biāo)機(jī)上。該目標(biāo)機(jī)通過 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器人上的傳感器和電機(jī)進(jìn)行通信。
“作為一個精益創(chuàng)業(yè)公司，在設(shè)計最終產(chǎn)品之前，我們必須在不損害安全的前提下快速實現(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，驗證，以及在實時仿真系統(tǒng)上的部署和用戶測試。傳統(tǒng)的軟件開發(fā)流程可能會大大延長我們的開發(fā)時間。”
——Preceyes, Maarten Beelen
為了改善和增強控制器功能，團(tuán)隊對模型進(jìn)行了改進(jìn)，通過仿真對其進(jìn)行了檢查，然后使用 Simulink Real-Time 在實際的機(jī)器人上進(jìn)行測試。
工程師們使用了 MATLAB 提供的 UI 開發(fā)工具 GUIDE，開發(fā)了一款觸摸屏應(yīng)用軟件，醫(yī)生可以在手術(shù)中通過該應(yīng)用改變手術(shù)設(shè)置，以及接收視覺和聽覺反饋。
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)中得到了驗證。該公司已經(jīng)計劃在一些頂級的外科手術(shù)站點進(jìn)行更多臨床驗證，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一個底層架構(gòu)。作為開發(fā)第一個版本時唯一的軟件工程師，這是一個巨大的優(yōu)勢——事實上，如果采用傳統(tǒng)開發(fā)流程，我懷疑一個工程師很難獨自完成這項工作。”Beelen 說到。 “我們開發(fā)的控制器軟件被咨詢工程師廣泛地評審， 因為 Simulink 模型良好的可讀性、需求可追溯性和生成報告的能力，使得評審過程變得非常容易。”
患者手術(shù)安全得到保障 。 “我總是說我不會輕易把醫(yī)療設(shè)備推向市場，除非我完全有信心將它用在我自己或所愛的人身上。”Beelen 解釋道，“通過我們在 Simulink 模型中實現(xiàn)的安全機(jī)制，我 100% 放心，軟件不會出現(xiàn)任何問題。”
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，使用 Embedded Coder 針對嵌入式處理器，從現(xiàn)有的控制器模型直接生成代碼，我們將縮減開發(fā)時間。” Beelen 說到，“產(chǎn)品化過程中，我們將遵循更正規(guī)的開發(fā)和測試流程，改善版本控制的方法，擴(kuò)大開發(fā)團(tuán)隊規(guī)模，并且繼續(xù)使用 Simulink 基于模型的測試、驗證和確認(rèn)功能。”