腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制平臺(tái)開(kāi)發(fā)及實(shí)驗(yàn)

王樹(shù)新，劉玉亮，李進(jìn)華，李建民，楊瑞林

（1. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津　300072；2. 天津大學(xué)機(jī)構(gòu)理論和裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300072）

腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制平臺(tái)開(kāi)發(fā)及實(shí)驗(yàn)

王樹(shù)新1，2，劉玉亮1，2，李進(jìn)華1，2，李建民1，2，楊瑞林1，2

（1. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300072；2. 天津大學(xué)機(jī)構(gòu)理論和裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程手術(shù)是將微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程診療，有助于解決我國(guó)醫(yī)療資源分布不均的現(xiàn)狀.基于腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人技術(shù)及遠(yuǎn)程控制需求，搭建了遠(yuǎn)程控制平臺(tái).利用最新H.264視頻編解碼技術(shù)及高效視頻壓縮/解壓縮設(shè)備解決圖像傳輸延時(shí)問(wèn)題，并采用TCP/IP傳輸協(xié)議與上位機(jī)校驗(yàn)機(jī)制相結(jié)合的方法，保證遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性.結(jié)合現(xiàn)有MicroHand微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人與已開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)在北京和天津之間建成機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程微創(chuàng)手術(shù)示范環(huán)境.在遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)集成基礎(chǔ)上開(kāi)展兩地之間多個(gè)時(shí)段網(wǎng)絡(luò)環(huán)境測(cè)試及遠(yuǎn)程套環(huán)實(shí)驗(yàn).經(jīng)測(cè)試，兩地之間控制信號(hào)單向平均網(wǎng)絡(luò)延時(shí)最大為12.3，ms，系統(tǒng)雙向總延時(shí)最大為302.6，ms，數(shù)據(jù)包丟失比率最大為4.10%.套環(huán)實(shí)驗(yàn)表明，所開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)具有較好的主從控制性能以及遠(yuǎn)程可操作性，可進(jìn)一步開(kāi)展遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā).

微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人；遠(yuǎn)程控制；TCP/IP；網(wǎng)絡(luò)延時(shí)；套環(huán)實(shí)驗(yàn)

微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人是微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相融合的產(chǎn)物.機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：①運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，能夠消除醫(yī)生手部顫抖對(duì)手術(shù)操作的影響；②靈活性高，從而降低了手術(shù)難度；③具有三維立體視覺(jué)；④具有遠(yuǎn)程操作潛能.世界各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研究，并已開(kāi)發(fā)出大量機(jī)器人樣機(jī)［1-3］.

自21世紀(jì)以來(lái)，越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)相關(guān)研究，并取得了一定的研究成果. 2001年，美國(guó)Computer Motion公司在ZeusTM系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將主從系統(tǒng)分離并引入網(wǎng)絡(luò)通信以及安全機(jī)制，成功開(kāi)發(fā)了ZeusTS遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)［4-5］.這套系統(tǒng)后來(lái)被應(yīng)用于全世界第一次跨大西洋遠(yuǎn)程臨床手術(shù)——林白手術(shù)［6］.2003年，日本東京大學(xué)開(kāi)發(fā)了面向遠(yuǎn)程腹腔微創(chuàng)手術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)［7］，并借助這套系統(tǒng)完成了日本與韓國(guó)以及日本與泰國(guó)之間的遠(yuǎn)程豬膽囊切除手術(shù)［8-9］.國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了遠(yuǎn)程機(jī)器人系統(tǒng)研究.2003年，中國(guó)海軍總醫(yī)院利用“黎元”手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)［10］完成了中國(guó)首次腦外科異地手術(shù)［11］.另外，南開(kāi)大學(xué)機(jī)器人與信息自動(dòng)化研究所多年來(lái)致力于網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人理論研究，并先后開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了TTRP和Tele-LightSaber對(duì)弈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［12-13］.然而，國(guó)內(nèi)關(guān)于遠(yuǎn)程腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究則僅停留在技術(shù)研究［14］及仿真階段［15］，并沒(méi)有實(shí)施樣機(jī)開(kāi)發(fā)工作.

開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義.首先，由于地域和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制，不同地區(qū)的外科手術(shù)質(zhì)量是不一樣的，遠(yuǎn)程手術(shù)既可以節(jié)省就醫(yī)時(shí)間與費(fèi)用，也可以使落后地區(qū)人民享受到發(fā)達(dá)地區(qū)甚至發(fā)達(dá)國(guó)家的醫(yī)療技術(shù).其次，醫(yī)生借助遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人也能夠?yàn)閼?zhàn)場(chǎng)上的傷員和災(zāi)區(qū)的病人提供手術(shù)救治［5］.

筆者依托實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)MicroHand微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)行了腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制平臺(tái)開(kāi)發(fā).MicroHand機(jī)器人采用主從式控制結(jié)構(gòu)，包含主操作端和從操作端兩大部分，同時(shí)具有體積小、立體視覺(jué)以及分層控制等優(yōu)點(diǎn)［3］，這使得MicroHand機(jī)器人系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制開(kāi)發(fā).本文在保持MicroHand機(jī)器人系統(tǒng)整體不變的基礎(chǔ)上，首先，設(shè)計(jì)改良了小型化主操作手，并根據(jù)主、從操作手構(gòu)型特點(diǎn)確立了位置采用笛卡爾空間映射而姿態(tài)采用關(guān)節(jié)空間映射的混合映射策略；其次，為實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸，基于客戶機(jī)/服務(wù)器模式和上、下位機(jī)控制思想，開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)以及上位機(jī)通信協(xié)議；然后，采用最新H.264視頻編解碼技術(shù)和TVI 4000，S（transmitter/receiver）圖像壓縮/解壓縮設(shè)備解決圖像傳輸延時(shí)問(wèn)題，完成了圖像反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；最后，選擇北京第二炮兵總醫(yī)院和天津大學(xué)（相距大約150，km）作為遠(yuǎn)程示范環(huán)境，進(jìn)行了一系列網(wǎng)絡(luò)環(huán)境測(cè)試并分析了測(cè)試結(jié)果；在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境滿足遠(yuǎn)程可操作性要求的基礎(chǔ)上，本文開(kāi)展了遠(yuǎn)程套環(huán)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了所開(kāi)發(fā)控制平臺(tái)遠(yuǎn)程操作可行性.

1　系統(tǒng)概述

與一般主從式微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)相比，遠(yuǎn)程系統(tǒng)被物理空間隔離為遠(yuǎn)端子系統(tǒng)（主端）和本地子系統(tǒng)（從端），兩系統(tǒng)采用一定的通信媒介實(shí)現(xiàn)信息交換. 遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的本質(zhì)依然是本地伺服控制系統(tǒng)接收主操作手控制信號(hào)，并按照一定的映射策略驅(qū)動(dòng)從機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng).

1.1主操作手選型與改良

圖1　改良后主操作手Fig.1 Modified master manipulator

Falcon是Novint技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的一款用于電子游戲的3，D操作手柄，它具有立體定位功能以及觸覺(jué)反饋功能.其工作空間是10，cm×10，cm×10，cm，位置分辨率大于400，dpi，滿足主操作手對(duì)操作空間和控制精度的要求.該操作手要求電腦具有1.0，GHz處理器、Windows系統(tǒng)、250，MB硬盤(pán)、512，MB內(nèi)存以及USB接口，這使得它不僅應(yīng)用方便，而且可移植性好.另外，由于Falcon本身只具有3個(gè)位置自由度，并不具有姿態(tài)自由度，為完成樣機(jī)開(kāi)發(fā)以及系統(tǒng)性能測(cè)試，本文通過(guò)設(shè)計(jì)姿態(tài)關(guān)節(jié)以及特定接口并引入電位器為Falcon增加了2個(gè)姿態(tài)自由度，即自轉(zhuǎn)和開(kāi)合，分別對(duì)應(yīng)手術(shù)器械的自轉(zhuǎn)自由度和開(kāi)合自由度，如圖1所示.這樣的自由度配置跟傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)器械相同，能夠完成簡(jiǎn)單的操作（比如套環(huán)等），滿足前期對(duì)樣機(jī)遙操作一致性、控制平穩(wěn)性、速度、精度及延遲等性能測(cè)試需求.設(shè)計(jì)接口采用球副可滿足術(shù)前調(diào)整主操作手姿態(tài)的需求，使得主從操作手初始姿態(tài)在顯示器坐標(biāo)系下完全一致.

1.2從操作手系統(tǒng)及映射策略

從操作手系統(tǒng)采用實(shí)驗(yàn)室所研制MicroHand微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的一部分.其中，從機(jī)器人具有3條機(jī)械臂，中間臂用來(lái)夾持內(nèi)窺鏡，其余2條機(jī)械臂用來(lái)夾持手術(shù)器械.器械臂共包含7個(gè)自由度，分別是3個(gè)位置自由度、3個(gè)姿態(tài)自由度和開(kāi)合自由度.根據(jù)主從操作手自由度配置特點(diǎn)，本文確定主從位置控制采用笛卡爾空間映射策略，而主從姿態(tài)控制采用關(guān)節(jié)空間映射策略.主從位置和姿態(tài)均采用增量式控制模式.本地伺服控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制，其中控制方法采用的是改進(jìn)PID控制.

1.3遠(yuǎn)程系統(tǒng)架構(gòu)

遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)除了包括主操作手、從操作手以及伺服控制系統(tǒng)以外，還應(yīng)包括遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、圖像反饋系統(tǒng)以及用于人機(jī)交互的輸入輸出設(shè)備.其中，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)主從兩端控制信息傳輸；圖像反饋系統(tǒng)用于滿足操作者對(duì)本地系統(tǒng)監(jiān)視以及內(nèi)窺鏡視覺(jué)反饋；輸入輸出設(shè)備包括顯示器、腳踏開(kāi)關(guān)、麥克風(fēng)以及耳機(jī)等.基于上述分析，本文以北京第二炮兵總醫(yī)院和天津大學(xué)作為遠(yuǎn)程微創(chuàng)手術(shù)示范環(huán)境，設(shè)計(jì)了腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)程系統(tǒng)的整體架構(gòu)，如圖2所示.

圖2　腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)程系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Tele-operated system architecture of laparoscopic minimally invasive surgery robot

2　遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)需要在本地伺服控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)完成.與主從直接相連的控制方式不同，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)必須采用一定的通信方式和通信協(xié)議以保證操作者在主控制臺(tái)不僅能夠遠(yuǎn)程控制從操作手，而且能夠遠(yuǎn)程控制與手術(shù)相關(guān)的醫(yī)療設(shè)備.為此，本文基于客戶機(jī)/服務(wù)器（client/server）網(wǎng)絡(luò)通信模式以及上、下位機(jī)控制思想，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，并采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)控制軟件.遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示.

圖3　遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.3Structure principle of remote control system

2.1服務(wù)器和客戶機(jī)

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，遠(yuǎn)端子系統(tǒng)和本地子系統(tǒng)各引入1臺(tái)主控制器，分別作為服務(wù)器和客戶機(jī).主控制器采用高主頻、大內(nèi)存電腦，負(fù)責(zé)完成計(jì)算、通信以及管理整個(gè)控制流程.服務(wù)器和客戶機(jī)根據(jù)各自功能需求，擴(kuò)展了不同的硬件設(shè)備，并通過(guò)設(shè)備應(yīng)用程序接口（API）實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)設(shè)備的訪問(wèn).客戶機(jī)與本地伺服控制系統(tǒng)工作于上、下位機(jī)模式，并且采用本地局域網(wǎng)進(jìn)行通信.

基于C++語(yǔ)言，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，本文開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)控制軟件，包括服務(wù)器和客戶機(jī)兩部分.系統(tǒng)控制軟件是對(duì)本地伺服控制系統(tǒng)軟件的擴(kuò)展.服務(wù)器軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)量、IO信號(hào)以及主操作手末端位置坐標(biāo)的采集.其中采樣頻率并非越快越好，而需兼顧主從控制的連貫性以及網(wǎng)絡(luò)帶寬和本地伺服控制系統(tǒng)的承受能力.采樣頻率也必須留有一定余量，保證在出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀丟失以及數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤而丟棄的情況下，從操作手依然可以連貫地運(yùn)動(dòng).除數(shù)據(jù)采集以外，服務(wù)器還具有數(shù)據(jù)處理、IO信息編碼以及數(shù)據(jù)發(fā)送與接收等功能.服務(wù)器和客戶機(jī)利用套接字實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，并通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換.客戶機(jī)軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收與處理、IO信息譯碼、下位機(jī)發(fā)送，本地伺服控制系統(tǒng)完成對(duì)從操作手各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的伺服控制.為保證數(shù)據(jù)幀不因堆積而丟失，本地下位機(jī)發(fā)送頻率要比遠(yuǎn)端采樣頻率稍快.客戶機(jī)還可以將從操作手末端的位置和姿態(tài)信息發(fā)送回服務(wù)器，這樣操作者就可以實(shí)時(shí)獲取從操作手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，增加了整個(gè)控制過(guò)程的安全性.

圖形用戶界面是系統(tǒng)控制軟件的一部分，是操作者與程序交互的接口，使得操作者能夠方便快捷地設(shè)置參數(shù)、輸入指令以及查看狀態(tài)等.在本文所開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，遠(yuǎn)端操作者通過(guò)圖形用戶界面設(shè)置服務(wù)器端口號(hào)和伺服周期，并能夠?qū)崟r(shí)查看主、從操作手末端位姿信息、腳踏開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài).本地助手通過(guò)圖形用戶界面建立與服務(wù)器和下位機(jī)的連接，實(shí)時(shí)查看上、下位機(jī)通信狀態(tài)，并能夠在從操作手出現(xiàn)異常的情況下緊急斷開(kāi)客戶機(jī)與服務(wù)器以及下位機(jī)之間的連接.

2.2通信協(xié)議

與UDP相比，TCP是面向連接的，具有高可靠性，適合傳輸大量數(shù)據(jù)，因此兩主控制器之間通信采用TCP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議.雖然TCP傳輸速率低，但其高可靠性可降低主控制器在校驗(yàn)算法以及錯(cuò)誤校正機(jī)制上所消耗的時(shí)間，因而不會(huì)影響數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性.

為實(shí)現(xiàn)通信雙方網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸安全性和可靠性，本文自定義了上位機(jī)通信協(xié)議.就本文所開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)而言，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括由遠(yuǎn)端主控制器發(fā)送到本地主控制器的主操作手末端位姿信號(hào)、腳踏開(kāi)關(guān)信號(hào)以及由本地主控制器反饋回遠(yuǎn)端主控制器的從操作手末端位姿信號(hào).其中，腳踏開(kāi)關(guān)信號(hào)是以二進(jìn)制編碼的形式發(fā)送，對(duì)方在接收到數(shù)據(jù)之后需要進(jìn)行譯碼才能獲得相應(yīng)信息，例如，當(dāng)電切腳踏閉合之后，相應(yīng)編碼信息被發(fā)送到從端，本地主控制器經(jīng)譯碼獲得該信息后通知伺服控制系統(tǒng)，而伺服控制系統(tǒng)控制相應(yīng)開(kāi)關(guān)電路閉合從而實(shí)現(xiàn)電鉤通電.這種信號(hào)處理方式使得數(shù)據(jù)幀信息容量增大而且便于信息傳輸.主操作手末端位姿信號(hào)用來(lái)操縱從操作手，既可以是增量模式也可以是絕對(duì)模式.若采用增量模式，上位機(jī)程序需要增加重發(fā)機(jī)制，從而保證在出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤或者數(shù)據(jù)幀丟失的情況下，手術(shù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)不會(huì)“丟步”，這會(huì)增加主控制器運(yùn)算量，降低數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性.因此，本文選擇以絕對(duì)模式傳輸主操作手末端位姿信號(hào)，在出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤或者數(shù)據(jù)幀丟失的情況下，采用直接放棄的處理方式，在發(fā)送頻率足夠保證一定正確接收率的情況下不會(huì)影響主從控制的連貫性也不會(huì)導(dǎo)致“丟步”.從操作手末端位姿信號(hào)代表手術(shù)器械末端在內(nèi)窺鏡坐標(biāo)系下的絕對(duì)位姿信息，用來(lái)滿足操作者查看從操作手運(yùn)行狀態(tài)的需要，因此也必須以絕對(duì)模式傳輸.

為了判讀數(shù)據(jù)幀的正確性，上位機(jī)軟件在接收到數(shù)據(jù)幀之后需對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn).本文采取的校驗(yàn)機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)幀3部分內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)，分別是幀頭幀尾、幀長(zhǎng)以及CRC校驗(yàn)碼.其中，幀頭幀尾以及幀長(zhǎng)校驗(yàn)可保證數(shù)據(jù)幀的獨(dú)立性和完整性，而CRC校驗(yàn)則能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)幀信息碼的差錯(cuò)冗余校驗(yàn)，從而保證數(shù)據(jù)幀信息的正確性.

通過(guò)以上分析，本文確定了包含52字節(jié)的數(shù)據(jù)幀格式，如表1所示.其中，指令編碼包含了數(shù)據(jù)幀的控制意圖，比如器械臂控制或者持鏡臂控制.該數(shù)據(jù)幀格式同時(shí)適用于控制信號(hào)和反饋信號(hào).

表1　數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Data frame format

3　圖像反饋系統(tǒng)

相對(duì)于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，圖像反饋系統(tǒng)是完全獨(dú)立的.在本地手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，圖像反饋僅靠短距離物理連接就能實(shí)現(xiàn)，且圖像不需要經(jīng)過(guò)編解碼過(guò)程；而在遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，為滿足圖像在互聯(lián)網(wǎng)傳輸需求，同時(shí)降低傳輸數(shù)據(jù)量，圖像反饋系統(tǒng)必須引入視頻編解碼設(shè)備.圖像反饋的內(nèi)容包括內(nèi)窺鏡圖像、手術(shù)室全景圖像以及語(yǔ)音信號(hào).與控制信號(hào)相比，視頻和音頻信號(hào)包含較大的數(shù)據(jù)量，因此視頻和音頻網(wǎng)絡(luò)傳輸會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)較大延時(shí).為降低圖像反饋延時(shí)，在保證圖像不失真的前提下，所選視頻編解碼設(shè)備必須具有高壓縮率且壓縮和解壓時(shí)間短.

3.1基于H.264視頻編解碼技術(shù)

H.264/AVC是ITU-T和ISO/IEC聯(lián)合制定的最新的、具有更高性能的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn).H.264在算法上分為視頻編碼層（video coding layer，VCL）和網(wǎng)絡(luò)提取層（network abstraction layer，NAL）.視頻編碼層負(fù)責(zé)視頻內(nèi)容高效處理，網(wǎng)絡(luò)提取層負(fù)責(zé)以網(wǎng)絡(luò)格式封裝數(shù)據(jù).與先前的編碼標(biāo)準(zhǔn)相比，H.264標(biāo)準(zhǔn)繼承了H.263和MPEG1/2/4視頻協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)引入了一些先進(jìn)的技術(shù)，包括幀內(nèi)幀間預(yù)測(cè)編碼、去塊效應(yīng)濾波、整數(shù)DCT變換和熵編碼，其編解碼原理如圖4所示.H.264具有更高的編碼效率和更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性.

TVI 4000S視頻編解碼器是基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的基本框架開(kāi)發(fā)完成，在視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸方面具有圖像分辨率高、編解碼延時(shí)?。s30～50，ms）、占用帶寬低等優(yōu)點(diǎn)，使交互式視頻應(yīng)用成為可能.TVI 4000S支持多種視頻格式輸入，同時(shí)具有單向語(yǔ)音傳輸以及雙向串口數(shù)據(jù)傳輸功能.另外，該視頻編解碼器具有內(nèi)嵌式服務(wù)器及物理地址，支持P2P（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）互聯(lián)網(wǎng)連接.通過(guò)分析驗(yàn)證，TVI4000S視頻編解碼器不論在功能性還是在實(shí)時(shí)性方面均滿足遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)內(nèi)窺鏡圖像互聯(lián)網(wǎng)傳輸需求，因此本文選用該視頻編解碼器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)中視頻壓縮和解壓縮功能.

圖4　H.264編解碼原理Fig.4 H.264 coding and decoding principle

3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖像反饋系統(tǒng)包括內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)、手術(shù)室全景成像系統(tǒng)、TVI 4000S視頻編解碼器、顯示器以及麥克風(fēng)和耳機(jī).微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制平臺(tái)對(duì)主從操作實(shí)時(shí)性要求較高［5］，為減小內(nèi)窺鏡圖像網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)，本文采用高速校園網(wǎng)和IP專線分別作為主從兩端的網(wǎng)絡(luò)形式，完成圖像快速傳輸.同時(shí)，本文采用2套TVI 4000S視頻編解碼器分別傳輸內(nèi)窺鏡圖像和手術(shù)室全景圖像，使兩路圖像并行傳輸，進(jìn)一步減小圖像反饋延時(shí).為滿足操作者對(duì)腹腔深度感需求，增加手術(shù)操作安全性，內(nèi)窺鏡圖像需是立體圖像，而手術(shù)室全景圖像可采用平面圖像.另外，在遠(yuǎn)程控制過(guò)程中，操作者需要通過(guò)語(yǔ)音指導(dǎo)本地助手完成輔助動(dòng)作，因此本文借助TVI 4000S設(shè)備的單向語(yǔ)音傳輸功能，通過(guò)引入麥克風(fēng)和耳機(jī)，實(shí)現(xiàn)了操作者語(yǔ)音指令的遠(yuǎn)程傳輸.為不影響內(nèi)窺鏡圖像傳輸實(shí)時(shí)性，本文將遠(yuǎn)端操作者語(yǔ)音信號(hào)和本地手術(shù)室全景圖像共用同一套TVI 4，000，S設(shè)備傳輸.整個(gè)圖像反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖5所示.其中，顯示器1可以為本地助手提供腹腔圖像，從而使助手能夠通過(guò)圖像并借助微創(chuàng)手術(shù)器械為遠(yuǎn)端操作者提供輔助操作.

圖5　圖像反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.5 Structure principle of image feedback system

4　實(shí) 驗(yàn)

作為遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的一部分，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性.因此，在微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)開(kāi)發(fā)完成之后，本文進(jìn)行了北京第二炮兵總醫(yī)院和天津大學(xué)之間多個(gè)時(shí)段網(wǎng)絡(luò)環(huán)境測(cè)試.本文所測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)包括數(shù)據(jù)包雙向傳輸延時(shí)和數(shù)據(jù)包丟失比率，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算了操作者利用所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)可能造成的總延時(shí).在充分了解網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特征之后，本文又進(jìn)行了兩地遠(yuǎn)程套環(huán)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證控制策略和主從跟蹤性能.

4.1網(wǎng)絡(luò)環(huán)境測(cè)試

為測(cè)得遠(yuǎn)程控制平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)，本文開(kāi)發(fā)了專門(mén)的軟件程序，即發(fā)送器和接收器，并分別運(yùn)行于服務(wù)器和客戶機(jī).所采用數(shù)據(jù)包與實(shí)際控制信號(hào)數(shù)據(jù)幀的格式和容量相同，并且數(shù)據(jù)包中加入了表示次序的編號(hào).測(cè)試程序同樣具有校驗(yàn)機(jī)制，校驗(yàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包直接丟棄，這作為數(shù)據(jù)包丟失的一種情況.測(cè)試開(kāi)始后，發(fā)送器按照一定頻率發(fā)送數(shù)據(jù)包，并記錄數(shù)據(jù)包編號(hào)以及發(fā)送時(shí)間，接收器在收到數(shù)據(jù)包并校驗(yàn)正確以后將數(shù)據(jù)包發(fā)回，發(fā)送器在收到返回的數(shù)據(jù)包并校驗(yàn)正確之后記錄下數(shù)據(jù)包編號(hào)以及返回時(shí)間.最后取相同編號(hào)下，返回時(shí)間和發(fā)送時(shí)間的時(shí)間差作為數(shù)據(jù)包雙向傳輸延時(shí)，而通過(guò)返回?cái)?shù)據(jù)包數(shù)量和發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量即可得到數(shù)據(jù)包丟失比率.

為了解一天中網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化情況，本文利用發(fā)送器和接收器軟件進(jìn)行了10組測(cè)試.每組測(cè)試發(fā)送數(shù)據(jù)包總量均在30，000以上，發(fā)送周期均為20，ms，但分布在不同的時(shí)間段（取1，h為1個(gè)時(shí)間段）.假定每個(gè)時(shí)間段的任意10～20，min能夠代表該時(shí)間段的網(wǎng)絡(luò)水平.測(cè)試條件和測(cè)試結(jié)果如表2所示.測(cè)試結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)包平均傳輸延時(shí)在9.1～24.6，ms之間變化，一天中8:30—11:30延時(shí)變化平穩(wěn)，13:30—17:30延時(shí)變化劇烈，最大平均傳輸延時(shí)在15:30左右，最小平均傳輸延時(shí)在16:30左右，如圖6所示.就單次實(shí)驗(yàn)而言，盡管最大傳輸延時(shí)很高，但是大部分傳輸延時(shí)集中在平均值附近，如圖7所示.另外，10組實(shí)驗(yàn)均有數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象，但數(shù)據(jù)包丟失比率較小，最大不會(huì)超過(guò)4.5%.

表2　北京、天津網(wǎng)絡(luò)環(huán)境測(cè)試條件及測(cè)試結(jié)果Tab.2 Network environment test conditions and results between Beijing and Tianjin

圖6　一天中數(shù)據(jù)包雙向平均延時(shí)變化Fig.6 Variation of bidirectionally average delay of packets in one day

圖7　實(shí)驗(yàn)1中數(shù)據(jù)包傳輸延時(shí)分布Fig.7 Distribution of transmission delay of packets in experiment 1

測(cè)試結(jié)果表明網(wǎng)絡(luò)傳輸不但存在延時(shí)，而且延時(shí)具有不確定性，甚至造成數(shù)據(jù)包丟失.眾所周知，互聯(lián)網(wǎng)具有復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括物理線路和路由器2部分，而網(wǎng)絡(luò)延時(shí)主要決定于數(shù)據(jù)所經(jīng)過(guò)的路由個(gè)數(shù)和在每個(gè)路由上所花費(fèi)的時(shí)間.由路由持久性可知，本測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)的物理線路和路由個(gè)數(shù)是確定的，但是由于網(wǎng)路具有競(jìng)爭(zhēng)性和共享性，每個(gè)路由器的負(fù)載是實(shí)時(shí)變化的，不同數(shù)據(jù)包在各個(gè)路由上的排隊(duì)時(shí)間和處理時(shí)間是不一樣的，當(dāng)路由器的負(fù)載超過(guò)其處理能力時(shí)，將對(duì)隨后到達(dá)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行丟棄處理［16］，因此這就造成了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)不確定性以及數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象.

對(duì)于遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)而言，操作者所感受到的總延時(shí)t包括遠(yuǎn)端（主操作手端）服務(wù)器伺服周期t1、控制信號(hào)單向傳輸延時(shí)t2、本地（從操作手端）客戶機(jī)伺服周期t3、手術(shù)機(jī)器人機(jī)械響應(yīng)時(shí)間t4、內(nèi)窺鏡成像及圖像處理延時(shí)t5、圖像編解碼延時(shí)t6以及圖像傳輸延時(shí)t7.根據(jù)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)試結(jié)果，選數(shù)據(jù)包最大雙向平均傳輸延時(shí)的1/2作為控制信號(hào)單向傳輸延時(shí)，即t2為12.3，ms；服務(wù)器伺服周期t1和客戶機(jī)伺服周期t3分別為10，ms和8，ms；手術(shù)機(jī)器人機(jī)械響應(yīng)時(shí)間t4為90，ms；經(jīng)測(cè)試，MicroHand手術(shù)機(jī)器人本地系統(tǒng)的圖像反饋延時(shí)為120，ms，這部分延時(shí)在遠(yuǎn)程系統(tǒng)中仍保持不變，即內(nèi)窺鏡成像及圖像處理延時(shí)t5為120，ms；通過(guò)生產(chǎn)商所提供的TVI 4000S視頻編解碼器技術(shù)資料及實(shí)際測(cè)量可知圖像編解碼延時(shí)t6最大為50，ms；在網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠的情況下，壓縮圖像傳輸延時(shí)約等于控制信號(hào)單向傳輸延時(shí)，即t7約為12.3，ms.將以上所有延時(shí)分量加起來(lái)，得到遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)總延時(shí)t為302.6，ms，即遠(yuǎn)端操作者操縱主操作手302.6，ms之后才會(huì)在顯示器2中看到從操作手運(yùn)動(dòng).通過(guò)以上分析，可以看出圖像反饋延時(shí)在遠(yuǎn)程系統(tǒng)總延時(shí)中占據(jù)很大比重，而圖像反饋延時(shí)的大部分是內(nèi)窺鏡本身成像及圖像處理延時(shí)，為降低圖像反饋延時(shí)，優(yōu)化了圖像處理算法，另外機(jī)械響應(yīng)延時(shí)也不容忽視.本文所開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)總延時(shí)沒(méi)有超過(guò)Butner等［5］所提出的330，ms延時(shí)極限，因此操作者能夠利用該平臺(tái)完成遠(yuǎn)程操作，而不會(huì)因延時(shí)受到影響.

4.2遠(yuǎn)程套環(huán)實(shí)驗(yàn)

為評(píng)估所開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的主從控制性能及手術(shù)可操作性，利用該系統(tǒng)進(jìn)行了北京第二炮兵總醫(yī)院和天津大學(xué)之間（相距大約150，km）的遠(yuǎn)程套環(huán)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)時(shí)，主控制臺(tái)設(shè)在天津大學(xué)醫(yī)療機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，而手術(shù)機(jī)器人位于第二炮兵總醫(yī)院手術(shù)室.操作者坐在主控制臺(tái)前，根據(jù)顯示器中內(nèi)窺鏡圖像，通過(guò)操縱主操作手遠(yuǎn)程控制手術(shù)器械在腹腔模型內(nèi)完成套環(huán)操作.操作者具有利用本地手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)套環(huán)經(jīng)驗(yàn)，并且經(jīng)過(guò)了0.5 h遠(yuǎn)程操作培訓(xùn).實(shí)驗(yàn)要求操作者左手控制手術(shù)器械從一根塑料柱上拾取橡膠環(huán)，并通過(guò)左右手配合將橡膠環(huán)由左手傳遞至右手，最后操作者右手控制手術(shù)器械將橡膠環(huán)放置到另一個(gè)塑料柱上.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及拾取、移動(dòng)、交換和放置等基本動(dòng)作，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖8所示.在整個(gè)遠(yuǎn)程套環(huán)實(shí)驗(yàn)中，主從跟蹤平穩(wěn)且無(wú)誤操作產(chǎn)生，整個(gè)套環(huán)過(guò)程共耗時(shí)2.5min.

圖8　遠(yuǎn)程套環(huán)實(shí)驗(yàn)Fig.8 Remote lantern-ring experiment

圖9　主從操作手跟蹤位移分析曲線Fig.9 Analytic curves of master-slave tracking displacement

為定量分析主從控制一致性以及操作速度、精度和延遲，設(shè)計(jì)者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集了主、從操作手末端位置信息和姿態(tài)關(guān)節(jié)角，并通過(guò)matlab軟件進(jìn)行了分析.圖9～圖11表示的是右主操作手遙控左從操作手實(shí)驗(yàn)過(guò)程的部分分析結(jié)果.由圖9位移分析可知，主操作手和從操作手在z方向位移和自轉(zhuǎn)角位移上具有相同的變化趨勢(shì)，并且從操作手在z方向位移上比主操作手變化平緩，而在自轉(zhuǎn)角位移上與主操作手變化相同，這是由于在主從映射模型中采用增量式控制，并且主從位置映射采用3∶1縮放，而主從姿態(tài)角采用1∶1映射；此外，從操作手位移曲線存在滯后現(xiàn)象，這是由控制信號(hào)單向傳輸延時(shí)t2和機(jī)器人機(jī)械響應(yīng)延時(shí)t4造成的.由圖10速度分析可知，除去手部抖動(dòng)的影響，主操作手在z方向上的操作速度位于-50～50，mm/s之間，自轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角速度位于-8°/s～8°/s之間，由于本地伺服控制系統(tǒng)具有消除抖動(dòng)功能，因此從操作手速度變化較主操作手平緩.由圖11誤差分析可知，主從遙控過(guò)程中，主從跟蹤誤差沒(méi)有積累，具有較好的收斂性；且在z方向位移跟蹤誤差位于-1～1，mm之間，在自轉(zhuǎn)角位移跟蹤誤差位于-0.1°～0.1°之間.另外，主從操作手其他關(guān)節(jié)具有相同的分析結(jié)果.綜上所述，所開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)具有較好的主從跟蹤性能和遠(yuǎn)程可操作性，驗(yàn)證了主從映射模型的正確性.

圖10　主從操作手跟蹤速度分析曲線Fig.10 Analytic curves of master-slave tracking velocity

5　結(jié) 語(yǔ)

機(jī)器人遠(yuǎn)程手術(shù)是繼機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)之后的又一全新領(lǐng)域，它具有為當(dāng)今醫(yī)療手段帶來(lái)革命性變化的巨大潛力.本文在MicroHand微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)引入并改良小型化主操作手，開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)以及圖像反饋系統(tǒng)，成功完成了腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制平臺(tái)開(kāi)發(fā).不同于美國(guó)Computer Motion公司［4-5］開(kāi)發(fā)ZeusTM系統(tǒng)過(guò)程，本文保持了原本地系統(tǒng)的完整性，因此開(kāi)發(fā)周期短、消耗經(jīng)費(fèi)少.北京-天津遠(yuǎn)程套環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)主從控制性能良好，可進(jìn)一步根據(jù)手術(shù)精度和靈活度需求開(kāi)展遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā).后期工作包括完善系統(tǒng)功能，增強(qiáng)系統(tǒng)安全性保障，同時(shí)進(jìn)行更深層次的遠(yuǎn)程測(cè)試，從而為將來(lái)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ).

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［16］修 震，吳平東，黃 杰，等. 基于因特網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制中網(wǎng)絡(luò)延時(shí)特性分析［J］. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004，40（3）：129-131.

Xiu Zhen，Wu Pingdong，Huang Jie，et al. Analysis of network time-delay property in internet-based telecontrol system［J］. Computer Engineering and Applications，2004，40（3）：129-131（in Chinese）.

（責(zé)任編輯：金順愛(ài)，王曉燕）

Development and Experiment of a Tele-Operated Platform for Minimally Invasive Laparoscopic Surgery Based on MicroHand Robot

Wang Shuxin1，2，Liu Yuliang1，2，Li Jinhua1，2，Li Jianmin1，2，Yang Ruilin1，2
（1. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory for Mechanism Theory and Equipment Design of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Robot-assisted remote surgery is the application of minimally invasive surgery robot technology to remote diagnosis and treatment，which helps to solve the current medical resource maldistribution in our country. Based on the technology and remote control requirements of minimally invasive laparoscopic surgery robot，a tele-operated platform were constructed. The latest H.264 video codec technology and high-efficiency video compression/decompression device were used to solve the problem of image transmission delay and the approach of combining TCP/IP transport protocols and PC check mechanism was adopted to guarantee the accuracy and reliability of remote control data. Integrating the existing MicroHand minimally invasive surgery robot with the constructed tele-operated platform，a demonstration environment of robot-assisted remote minimally invasive surgery between Beijing and Tianjin was set up. On the basis of remote surgery robot system integration，network environment test，covering multiple time periods and remote lantern-ring experiment between these two places were conducted. It is found that the unidirectionally average network delay of control signal between these two places is at most 12.3，ms，the bidirectionally total delay of system is at most 302.6，ms，and the loss ratio of data packages is at most 4.10%. The lanternring experiment results show that the developed tele-operated platform has good master-slave control performance and remote operability and a remote surgical system can be developed further.

minimally invasive surgery robot；tele-operated；TCP/IP；network delay；lantern-ring experiment

TP242.3

A

0493-2137（2015）12-1041-09

10.11784/tdxbz201409075

2014-09-28；

2014-12-16.

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012AA02A606）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275335）.

王樹(shù)新（1966—），男，教授，shuxinlab@163.com.

李進(jìn)華，lijinhua@tju.edu.cn.

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-12-22. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20141222.1539.001.html.