Robotic Tele-Operation for Upper Aerodigestive Tract Microsurgery: System Design and Validation
本文提出并验证了一种新型机器人遥操作系统，该系统具有用于钳夹控制的专用末端执行器和远程运动中心框架，旨在增强上消化道微创手术中的人体工程学、精准度和可控性。
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咽喉部手术是一场精妙的平衡博弈。被称为上消化道和呼吸道（upper aerodigestive tract）的区域包含了声带以及空气和食物通过的通道，这是一个狭窄且受限的空间。为了治疗这里的肿瘤或息肉，外科医生经常使用一种被称为经口激光微创手术（transoral laser microsurgery）的技术。在这种手术中，激光束以极高的精度切除病变组织，但外科医生还必须使用一把镊子来固定并拉住组织使其处于视野内。目前，外科医生完全通过手部操作来进行这种抓取和固定工作，将工具插入一个固定在患者口部的刚性管状物（称为喉镜）中。虽然激光负责切割，但人类的手必须负责固定，这项任务需要极高的稳定性。在长时间的操作过程中，这种手动操作会导致震颤、疲劳，并失去在如此狭窄的通道中导航而不损伤健康组织所需的精细控制能力。
一个研究团队开发了一种新的机器人系统，旨在接管这项手动固定的工作，让外科医生能够专注于激光操作。现在，外科医生不再直接手持镊子，而是坐在控制台前控制机器人为他们持拿工具。这种设置允许外科医生使用手持控制器移动机器人的手臂，而机器人则将这些动作转化为患者喉咙内部平滑、稳定的运动。该系统的一个关键特征是虚拟支点（virtual pivot point）。想象一下，如果镊子连接在咽喉入口处的一个固定点上；机器人的程序设定为，无论外科医生如何移动他们的手，工具都会围绕这一个点进行旋转。这防止了工具撞到咽喉两侧或遮挡摄像机的视野，而这在如此狭窄的空间内移动器械时是一个常见问题。该系统还包括一个安全机制，即只有当外科医生同时按下两个脚踏板时，机器人才会移动，从而确保工具不会发生意外移动。
为了测试这个想法是否可行，研究人员邀请了十名没有咽喉手术经验的人来尝试该系统。参与者被要求使用一个由硅胶制成的声带模型来完成一项任务，模型上有代表肿瘤的小凸起。在一轮测试中，他们用手直接使用镊子；在另一轮测试中，他们使用新的机器人系统。研究人员通过追踪微小的振动来测量工具的稳定性。结果显示出明显的差异：当使用机器人时，工具明显更加稳定，与用手操作相比，震动大幅减少。这表明机器人可以过滤掉人手的自然震颤，提供更稳定的组织抓取。
团队还观察了外科医生在体力上的负担程度。他们使用检测肌肉电信号的传感器测量了参与者前臂的肌肉活动。当参与者使用机器人系统时，其肌肉显示的激活水平低于用手操作时。这表明机器人承担了繁重的体力活，减轻了外科医生的身体压力。此外，参与者反馈该系统感觉直观且易于学习。他们对控制工具的能力感到自信，并觉得这种体验很有趣，尽管有些人指出，如果能增加练习时间并加入3D视觉功能，操作会变得更加容易。
研究结论认为，用机器人控制的版本取代手动镊子是这类手术迈出的具有前景的一步。该系统成功提高了工具的稳定度，并减轻了外科医生的体力消耗。虽然目前的版本是一个在受控环境下表现良好的原型机，但研究人员看到了清晰的发展路径。他们计划加入力反馈（force feedback），让外科医生能够通过机器人“感觉到”组织，并优化软件以确保工具永远不会遮挡摄像机视野。通过使在咽喉内固定组织的困难任务变得更加容易和精准，这项技术旨在帮助外科医生以更高的准确性和更低的疲劳度来完成这些复杂的手术。
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