利用RGB-D图像引导的机器人软组织电外科自主闭环控制

《IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics》：Autonomous Closed-Loop Control for Robotic Soft Tissue Electrosurgery Using RGB-D Image Guidance

口腔癌手术中自主机器人电刀系统通过RGB-D传感器和CoTracker模型实现3D组织跟踪，结合模糊逻辑控制动态调整切割速度，使猪舌实验平均误差从1.2mm降至0.54mm（p<0.001）。

　　

摘要：

口腔癌是一种常见的头颈部癌症，通常通过电外科手术精确切除肿瘤来治疗。自主机器人电外科手术显示出比传统手动方法更准确、更一致的切除边缘的潜力，从而提高了手术效果。然而，当前的自主系统在电外科切割过程中面临跟踪组织变形的挑战，因为软组织的动态变化难以预测且复杂。未能监测和适应组织变形会显著影响切除的精确度。本文介绍了一种自主闭环机器人电外科手术系统，该系统利用红绿蓝-深度（RGB-D）传感器通过3D组织跟踪和基于图像的反馈控制来提高手术精确度。所开发的3D组织跟踪器采用基于深度学习的CoTracker模型进行无标记跟踪，并结合工具遮挡算法，在无需预先了解组织模型的情况下实现组织变形跟踪。估计的组织变形数据被输入到模糊逻辑控制器中，控制器动态调整切割速度以最小化电外科手术中的切割误差。通过体外猪舌实验验证了该系统的有效性，结果显示，在闭环操作中（N=6次），平均切割误差降低了55%（从1.2毫米降至0.54毫米，），而开环无反馈控制的情况下（N=3次）切割误差没有显著变化。这些结果证明了基于图像的闭环控制在提高切除边缘精度方面的有效性，这是降低癌症复发风险的关键因素。

引言

口腔癌（OCC）是最常见的头颈部癌症类型之一，2020年全球报告的病例数为377,713例，死亡人数为177,757人[1]。口腔鳞状细胞癌（OCSCC）是OCC的一种组织学亚型，起源于上皮组织，占OCC病例的90%以上[2]，其中舌部是最常见的发病部位之一[3]。OCSCC主要通过电外科手术或谐波超声切除设备以及手术钳来切除肿瘤，并保留周围健康组织[4]。电外科切割的核心原理是使电流从电极流向接地垫，如图1.a所示，从而产生热量使组织水分蒸发并导致组织碎裂[5]。例如，舌切除术是一种专门用于通过电或振动能量装置切除舌部癌细胞的手术方法。精确保持手术切割边缘对于OCSCC的临床结果至关重要[4]，因为过窄的边缘会增加复发或转移的风险；而过宽的边缘则可能影响术后功能和生活质量[6]。图1.

自主软组织电外科手术：a是一种实验性的机器人装置；b是一个3D组织跟踪器，用于计算组织变形，速度控制器利用这些数据更新切割过程中的控制输入；c是3D组织跟踪器，用于监测电极引起的组织变形程度，机器人控制器根据这些数据减少切割路径上的组织变形。