Sequential development and evaluation of virtual model control with integral control for robotic dry-bone resection: a benchtop study

تخيل جراحاً يحاول إعادة تشكيل عظمة داخل مفصل باستخدام مثقاب صغير عالي السرعة. الهدف هو إزالة قدر كافٍ فقط من المادة لاستعادة الحركة السلسة، ولكن ليس الكثير بحيث تضعف العظمة أو تنكسر. في جسم الإنسان، تعد هذه المهمة صعبة للغاية؛ إذ لا يستطيع الجراح إلا رؤية جزء صغير من السطح في أي لحظة عبر الكاميرا، كما أن العظمة نفسها صلبة وغير مستوية. إذا أزال الجراح القليل جداً، فستظل المشكلة قائمة؛ وإذا أزال الكثير، فإن خطر حد التورم أو الكسر يزداد. وللمساعدة في تحقيق هذه الدقة، يعمل المهندسون على بناء روبوتات يمكنها اتباع مسار مخطط له مسبقاً بدقة تامة. ومع ذلك، حتى الروبوت قد يواجه صعوبة عندما يصطدم لقمة المثقاب الدوار بسطح صلب؛ إذ يمكن لقوة التلامس أن تدفع ذراع الروبوت بعيداً عن مساره قليلاً، مما يخلق تذبذباً أو فجوة بين المكان الذي "ظن" الروبوت أنه فيه وبين المكان الذي قطع فيه فعلياً.

هذا هو التحدي الذي سعى الباحثون في جامعة كامبريدج لحله. أرادوا معرفة ما إذا كان نوع معين من التحكم في الروبوت، والذي يسمح للآلة بالشعور بالعظم والتفاعل معه مثل "الزنبرك"، يمكن أن يكون دقيقاً بما يكفي للجراحة. لم يختبروا أفكارهم على مريض، بل على كتلة من عظم اصطناعي في مختبر. ركز عملهم على طريقة تسمى "التحكم بالنموذج الافتراضي". بعبارات بسيطة، يتخيل هذا النظام مساراً مثالياً غير مرئي للمثقاب، ويربط المثقب الحقيقي بهذا المسار غير المرئي بواسطة زنبرك وممتص صدمات محاكيين. إذا انحرف المثقب الحقيقي عن المسار، يقوم النظام بدفعه للعودة. لكن الباحثين وجدوا أنه عندما يضغط المثقب بقوة ضد العظم، فإن الزنبرك يتمدد، مما يترك خطأً صغيراً لا يستطيع الروبوت إصلاحه بمفرده. ولحل هذه المشكلة، أضافوا طبقة ثانية من التصحيح تتذكر الأخطاء الماضية وتصلحها تدريجياً بمرور الوقت.

بدأ الفريق بالإعداد القياسي: روبوت بسبعة أذرع يحمل مثقاباً بقطر أربعة مليمترات برأس ماسي، يدور بسرعة 12,000 دورة في الدقيقة. قاموا ببرمجته لنحت نمط مربع بمقاس عشرة في عشرة مليمترات في كتلة من العظم الاصطناعي. في محاولتهم الأولى، باستخدام الطريقة الأصلية لإمساك المثقاب، كانت النتائج خشنة؛ حيث كان لقمة المثقاب تهتز بشكل مرئي، وانحرف القطع بشكل كبير عن المربع المخطط له. قاس الباحثون هذا الأداء على مقي لدرجة أن الدرجة الأقل تعني قطعية أفضل، حيث سجل الإعداد الأولي متوسط 11.7 من 12، مما يشير إلى نتيجة سيئة مع انحرافات كبيرة في كل الاتجاهات.

جاء التحسن الكبير الأول من تغيير طريقة إمساك المثقاب. الإعداد الأصلي كان يمسك فقط بمقبض المثقاب، تاركاً العمود الطويل تحته حراً في التمايل. صمم الباحثون حاملاً جديداً يدعم العمود بالقرب من طرف القطع، محاكياً بذلك الطريقة التي يثبت بها الجراح الخبير يده. قلل هذا التغيير الميكانيكي البسيط من الاهتزاز وجعل سطح القطع أكثر سلاسة، حيث انخفضت درجة الأداء إلى 7.7. لم يكن القطع مثالياً بعد، لكن السطح لم يعد عبارة عن فوهة مدمرة، بل بدا وكأنه موجة لطيفة.

بعد ذلك، عالج الفريق "حس الاتجاه" لدى الروبوت. فحتى الروبوت الدقيق قد يعاني من عدم تطابق طفيف بين خريطته الداخلية والواقع المادي. استخدم الباحثون نظام كاميرا لقياس الموضع الدقيق لذراع الروبوت وقاموا بتعديل برمجياتهم لتتطابق مع الآلة الفيزيائية. أدى هذا المعايرة إلى تحسين الدرجة أكثر لتصل إلى 5.7؛ حيث أصبح القطع أكثر سلاسة، رغم أن أحد الجوانب ظل أعمق قليلاً من الآخر. الخطوة الأخيرة كانت محاذاة الروبوت مع كتلة العظم نفسها؛ وبما أن الكتلة وُضعت يدوياً في ملزمة، فلم تكن مستوية تماماً. علم الباحثون الروبوت كيفية مسح سطح العظم وتعديل خطته لتناسب الزاوية الفعلية للكتلة. ومع هذا التعديل النهائي، انخفضت الدرجة إلى 4.0. كانت المربعة الناتجة مستوية بصرياً، ذات حواف مستقيمة وزوايا حادة تطابق الخطة الأصلية عن كثب.

بعد تثبيت الروبوت والعظم، اختبر الباحثون إعدادات مختلفة للعثور على "النقطة المثالية" للقطع. قاموا بتغيير عمق دخول المثقاب في كل تمريرة، وسرعة حركته، والزاوية التي يقترب بها من العظم. وجدوا أن أفضل النتائج حدثت عندما أزال المثقاب طبقة رقيقة جداً من المادة، تتراوح بين 0.10 و0.25 مليمتر في كل تمريرة. وعند تحريك المثقاب بسرعة كبيرة، تزيد عن 2.5 مليمتر في الثانية، يفقد النظام استقراره وتسوء الدرجة. وبالمثل، أدى إمساك المثقب بزاوية شديدة الانحدار أو ضحلة جداً إلى نتائج أسوأ. النطاق المثالي كان سرعة متوسطة بين 1.5 و2.5 مليمتر في الثانية، مع إمالة المثقب بزاوية تتراوح بين 30 و45 درجة. عند هذه الإعدادات، استطاع الروبوت الحفاظ على قطع ثابت ودقيق دون اهتزاز أو انحراف.

يخلص البحث إلى أنه من خلال الجمع بين قبضة ميكانيكية مستقرة، ومعايرة دقيقة لموضع الروبوت، ومحاذاة دقيقة مع قطعة العمل، يمكن للروبوت الذي يستخدم طريقة التحكم هذه أن ينتقل من إجراء قطوع غير مستقرة وغير دقيقة إلى إجراء عمليات استئصال دقيقة وقابلة للتكرار. ويشير الباحثون إلى أنه على الرغم من أن هذه النتائج واعدة، إلا أنها تحققت في بيئة مخبرية محكومة باستخدام كتلة موحدة من مادة اصطناعية. والخطوة التالية ستكون اختبار هذا النظام في نموذج أكثر واقعية يتضمن الأشكال المعقدة والأنسجة الرخوة لمفصل ورك حقيقي. وحتى ذلك الحين، يوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة لكيفية جعل قطع العظام بالروبوت أكثر موثوقية، والانتقال به من أداة مهتزة وغير دقيقة إلى أداة يمكنها الحفاظ على يد ثابتة للجراح.