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      《電子技術應用》
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      基于模型的設計 | Preceyes加速全球首款眼科手術機器人的開發

      2020-08-26
      來源:與非網
      關鍵詞: Preceyes Matlab Simulink

      玻璃體視網膜手術,整個手術需要在眼內進行,手術時需要較高的精準度和穩定度,對于人工手術來說難度極大。隨著人口老齡化的加劇,玻璃體視網膜類疾病患者數量大幅攀升,亟待研發具備更高手術精度的新治療方案。比如,視網膜靜脈阻塞的一個潛在療法,即把一根直徑僅有人類發絲直徑大小的細針插入至阻塞處并保持靜止 10 分鐘,這種手術,即使對于經驗最豐富的外科醫生來說,也是幾乎不可能完成的。


      2016 年,英國牛津約翰·拉德克里夫醫院的外科醫生,實施了全球首例機器人輔助視網膜眼內手術。他們借助了 Preceyes 外科手術系統(PRECEYES Surgical System),即一個機器臂助手,該機器臂會衡量主刀醫生的動作,并能過濾醫生的手部抖動,達到了前所未有的手術穩定度和精準度。

       

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      RECEYES 手術系統。該系統操縱著進入眼內的手術器械, 并由圖中左側的運動控制器控制,主刀醫生手動操作著該控制器。


      最近,Preceyes 開始在鹿特丹眼科醫院實施了臨床試驗。他們成功地將新研發的距離傳感器集成到機器人中,并完成了機器人和傳感器相結合的驗證。該傳感器能夠測量手術器械和視網膜之間的距離。依托該傳感器所帶來的安全性和實時距離數據,對于要求苛刻的視網膜手術,這種方案能確保提供更高的手術安全性和手術效果。此外,它將是培訓和評估的寶貴數據來源。Preceyes 的工程師使用基于模型的設計流程,借助 matlab?、Simulink? 和 Simulink Real-Time? 設計并實現了該機器人控制系統。


      挑戰


      Preceyes 為其外科手術系統制定了雄心勃勃的目標。大大增加的手術精確度不僅使新的療法成為可能,還能對現有療法進行改善,比如視網膜上長出的病變膜剝離,以及眼房水更換。


      在實現這些目標的過程中,Preceyes 團隊始終堅持兩個優先原則:

      確?;颊呤中g安全

      盡可能高效地生產出一臺臨床研究設備


      為了在限定的開發時間和安全性要求下完成設計目標,Preceyes 的工程師們需要借助建模和仿真技術的優勢,這種技術在多個行業的安全攸關的應用中已經大量使用。具體來說,工程師們需要對復雜的控制邏輯進行建模,接著對其設計進行功能驗證,首先通過仿真,然后部署到真實的機器人上進行實時測試。除了實時控制軟件之外,該團隊還需要開發一套運行在 PC 上的非實時應用程序,通過該程序的接口,主治醫師在手術前和手術過程中可以配置系統的設置。


      解決方案


      Preceyes 采用了基于模型的設計流程,借助 MATLAB、Simulink 和 Simulink Real-Time 加速其 RPECEYES 外科手術系統實時控制軟件的開發。

       


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      鹿特丹眼科醫院所使用的 PRECEYES 外科手術系統(手術準備階段)。


      為了建立機器人的運動學和動力學模型,Preceyes 的工程師們采用了系統辨識的方法,借助 Simulink Real-Time 對機器人的 11 個電機產生激勵信號,然后分別測量各自由度的響應。


      在 MATLAB 中對這些測量數據進行分析和擬合后,工程師們在 Simulink 中建立了能夠描述在給定作用力下做出準確響應的機器人被控對象模型。


      接著,團隊開發了一個控制器模型,該模型處理來自系統操縱桿的輸入信號和大約 60 路傳感器(包括光學和磁編碼器)信號,并產生相應的電機控制信號,驅動手術器械,以響應外科醫生的手部動作。在模型中,工程師們利用 Simulink Real-Time 中的 EtherCAT 模塊與機器人的 EtherCAT 網絡節點進行通信。


      團隊使用 Stateflow? 對系統各工作模式進行了順序邏輯建模,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,并將編譯后的目標碼部署到一臺運行 Simulink Real-Time 的實時目標機上。該目標機通過 EtherCAT 網絡與機器人上的傳感器和電機進行通信。


      “作為一個精益創業公司,在設計最終產品之前,我們必須在不損害安全的前提下快速實現第一版的發布,以獲得臨床反饋,并建立相關臨床證明。Simulink 和 Simulink Real-Time 使我們能夠快速完成控制器的設計,驗證,以及在實時仿真系統上的部署和用戶測試。傳統的軟件開發流程可能會大大延長我們的開發時間?!?nbsp;


      ——Preceyes, Maarten Beelen


      為了改善和增強控制器功能,團隊對模型進行了改進,通過仿真對其進行了檢查,然后使用 Simulink Real-Time 在實際的機器人上進行測試。


      工程師們使用了 MATLAB 提供的 UI 開發工具 GUIDE,開發了一款觸摸屏應用軟件,醫生可以在手術中通過該應用改變手術設置,以及接收視覺和聽覺反饋。


      PRECEYES 手術系統的安全性和有效性已經在 14 例外科手術中得到了驗證。該公司已經計劃在一些頂級的外科手術站點進行更多臨床驗證,其中包括與鹿特丹眼科醫院為期兩年的合作。該公司還正致力于 CE 認證和下一代產品的批量化生產。


      結果


      核心控制器軟件的開發僅需一名工程師?!笆褂?MATLAB 和 Simulink,我不必親自再為控制器編寫一個底層架構。作為開發第一個版本時唯一的軟件工程師,這是一個巨大的優勢——事實上,如果采用傳統開發流程,我懷疑一個工程師很難獨自完成這項工作?!盉eelen 說到。 “我們開發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?!?/p>


      患者手術安全得到保障 。 “我總是說我不會輕易把醫療設備推向市場,除非我完全有信心將它用在我自己或所愛的人身上?!盉eelen 解釋道,“通過我們在 Simulink 模型中實現的安全機制,我 100% 放心,軟件不會出現任何問題?!?/p>


      產品化路線圖準備就緒?!霸趯⑽覀兊氖中g系統進行產品化時,使用 Embedded Coder 針對嵌入式處理器,從現有的控制器模型直接生成代碼,我們將縮減開發時間?!?Beelen 說到,“產品化過程中,我們將遵循更正規的開發和測試流程,改善版本控制的方法,擴大開發團隊規模,并且繼續使用 Simulink 基于模型的測試、驗證和確認功能?!?/p>


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