用户故事

preeyes加速世界首个基于模型设计的眼科手术机器人的发展

挑战

为在人眼内进行的机器人辅助手术开发一个实时控制系统

解决方案

利用MATLAB和Simulink进行基于模型的设计,对控制系统进行建模和仿真万博1manbetx,并利用Simulink Coder和Simulink Real-Time将其部署到实时目标

结果

  • 由一位工程师开发的核心控制器
  • 患者安全保证
  • 工业化道路图

“MATLAB和Simu万博1manbetxlink提供了一个单一的平台,支持我们完整的工作流程,以及我们万博1manbetx机器人系统所需的所有组件和协议。这使我们能够快速开发出一种安全、实时的设备,为临床研究做好准备。”

Maarten Beelen, Preceyes

前视手术系统。该系统对进入眼睛的仪器进行操作,并通过左侧的运动控制器进行控制;外科医生用另一只手手动操作。图片版权所有,谦恭有礼。


玻璃体视网膜手术是在眼睛内部进行的,它需要一定程度的精确度和稳定性,这是人手很难维持的。玻璃体视网膜疾病的大量增加,与人口老龄化密切相关,这就要求开发新的治疗方法,要求更高的精确度。例如,一种潜在的视网膜静脉闭塞的新治疗方法,将一根针插入一根像人的头发一样细的静脉中,并将其静止不动约10分钟——即使是最熟练的外科医生也几乎不可能完成这项任务。

2016年,英国牛津约翰·拉德克里夫医院的外科医生实施了世界上第一个机器人辅助的玻璃体视网膜手术。他们使用了preeyes手术系统,这是一种机器人助手,可以测量外科医生的动作,过滤手颤,从而实现前所未有的稳定和精准。

最近,Preceyes开始在鹿特丹眼科医院进行临床试验。他们成功地将新开发的距离传感器集成到机器人中,并验证了机器人传感器组合。传感器测量仪器与眼睛内视网膜的距离。提供基于传感器的安全和指导,这种方法有望在苛刻的视网膜手术中提供显著的安全和性能优势。此外,它将成为培训和评估的宝贵数据来源。Preceyes的工程师使用基于模型的设计和MATLAB设计并实现了机器人的控制系统®,仿万博1manbetx真软件®,以及Sim万博1manbetxulink Real-Time™。

preeyes联合创始人兼整合经理Maarten Beelen表示:“作为一家精益创业公司,在不影响安全性的情况下,在设计最终产品之前,为了获得临床反馈并建立证据,快速实现首个版本对我们来说非常重要。”“万博1manbetxSimulink和Simulink Real-Time使我们能够快速设计控制器,验证它,在实时系统上实现它,并与用户进行测试。传统的软件开发工作流可能会大大延长我们的时间线。”

挑战

preeyes为其手术系统设定了雄心勃勃的目标。提高的精确度不仅使新的手术成为可能,它还将改进现有的手术,如剥离视网膜上的膜和更换眼球的液体。在实现这些目标的过程中,preeyes团队有两个优先事项:确保患者安全,并尽可能高效地生产一种临床研究设备。

为了在开发进度和安全约束条件下实现设计目标,preeyes的工程师需要利用建模和仿真技术,这些技术已经在多个行业的其他关键安全应用中得到了应用。具体来说,他们需要对复杂的控制逻辑建模,然后对他们的设计进行功能验证,首先是通过仿真,然后是通过对实际机器人的实时测试。除了实时控制软件,该团队还需要开发一种非实时应用程序,该程序具有运行在个人电脑上的界面,医生可以在手术前和手术过程中使用它来配置设置。

解决方案

preeyes采用基于模型的设计,结合MATLAB、Simulink和Simulink Re万博1manbetxal-Time,加快了preeyes手术系统实时控制系统的开发。

在构建机器人运动学和动力学的基本模型时,preeyes的工程师进行了系统识别测试,他们使用Simulink Real-Time为机器人的11个电机产生激励信号,然后测量其11个自由度的每个响应。万博1manbetx

在MATLAB中分析和拟合测量数据后,他们使用结果开发了一个Simulink工厂模型,描述了机器人如何响应施加的力。万博1manbetx

该团队开发了一个控制器模型,该模型处理来自系统操纵杆和大约60个传感器(包括光学和磁性编码器)的输入信息,并产生必要的电机信号,以响应外科医生的动作来移动刀尖。在这个模型中,他们将来自Simulink Real-Time的EtherCAT模块与机器人的EtherCAT网络上的万博1manbetx节点进行接口。

使用Stateflow®,该团队为系统的各种操作模式建模顺序逻辑,其中包括校准、初始化和自我验证。

在通过仿真验证控制器和控制逻辑的基本操作后,工程师使用Simulink Coder™从他们的模型生成代码,并将编译后的代码部署到运行Simulink real的实时目标计算机上。万博1manbetx这台计算机通过EtherCAT网络与机器人的传感器和马达相连。

为了改进和增强控制器,团队对模型进行了改进,通过仿真检查它们,然后使用Simulink Real-Time设置在实际机器人上进行测试。万博1manbetx

工程师们使用GUIDE(一种MATLAB UI开发工具)来开发触摸屏应用软件,外科医生可以用它来改变手术设置,并在手术过程中接收视觉和听觉反馈。

preeyes手术系统的安全性和有效性已在14例手术中得到证实。计划在顶级手术场所进行更多的演示,包括与鹿特丹眼科医院进行为期两年的合作。该公司还致力于CE注册和下一代批量生产。

手术前的preeyes手术系统,鹿特丹眼科医院。图片版权所有,谦恭有礼。

结果

  • 由一位工程师开发的核心控制器。“有了MATLAB和Simulin万博1manbetxk,我不需要自己编写控制器的底层架构。作为开发第一个版本的唯一软件工程师,这是一个巨大的优势——事实上,我怀疑如果没有一个工程师能完成这项工作,”Beelen说。“顾问对该软件进行了广泛的审查,这非常容易,因为Simulink产品具有可读性、需求可跟踪性和报告生成功能。”s manbetx 845万博1manbetx
  • 患者安全保证。“我总是说,除非我完全有信心在自己或心爱的人身上使用,否则我不会把设备带到市场上,”比伦说。“有了我们在Simulink中实现的安全机制,我完全相信软件不会出现任何问题。”万博1manbetx
  • 工业化道路图。Beelen说:“为了开发我们系统的工业化版本,我们将从现有的控制器模型中生成代码,使用Embedded Coder来针对嵌入式处理器,从而节省时间。”“我们将遵循更正式的开发和测试工作流程,使用Simulink中的基于模型的测试、验证和验证功能,改进版本控制和更大的开发团队。”万博1manbetx