Preceyes加速了世界上第一台基于模型设计的眼科手术机器人的发展
挑战
开发一种实时控制系统，用于在人眼内进行机器人辅助手术
解决方案
使用MATLAB和Simulink进行基于模型的设计，对控制系统进行建模和仿真，并使用Simulink Coder和Simulink Real-Time将其部署到实时目标
结果
- 核心控制器由一名工程师开发
- 患者安全保证
- 工业化路线图设定
“MATLAB和Simulink提供了一个平台，支持我们机器人系统所需的完整工作流程和所有组件和协议。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
PRECEYES手术系统。该系统操作进入眼睛的仪器，并使用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。图片版权由Preceyes提供。
玻璃体视网膜手术是在眼睛内部进行的，需要一定程度的精确度和稳定性，这是人手极其难以维持的。与人口老龄化密切相关的玻璃体视网膜疾病的大量增加，要求开发对精确度要求更高的新治疗方法。例如，视网膜静脉闭塞的一种潜在的新治疗方法是将一根针插入人的头发那么细的静脉中，并保持它不动约10分钟——这是一项即使是最熟练的外科医生也几乎不可能完成的任务。
2016年，英国牛津约翰·拉德克利夫医院的外科医生实施了世界上第一例机器人辅助玻璃体视网膜手术。他们使用PRECEYES手术系统，这是一种机器人助手，可以衡量外科医生的动作，过滤手部颤抖，以实现前所未有的稳定和精确。
最近，Preceyes在鹿特丹眼科医院开始了临床试验。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。传感器测量仪器到眼睛内部视网膜的距离。该方法提供基于传感器的安全和指导，承诺在高要求的视网膜手术中提供显著的安全性和性能优势。此外，它将是培训和评价的宝贵数据来源。Preceyes的工程师使用基于模型的MATLAB设计实现了机器人的控制系统®,仿真软件®，以及Simulink Real-Time™。
Preceyes联合创始人兼整合经理Maarten Beelen表示:“作为一家精益创业公司，在设计最终产品之前，为了获得临床反馈和建立证据，在不影响安全性的情况下快速实现首次发布是很重要的。”“Simulink和Simulink Real-Time使我们能够快速设计我们的控制器，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。”
挑战
Preceyes为其外科系统设定了雄心勃勃的目标。精密度的提高不仅使新的手术成为可能，而且还将改进现有的手术，例如剥离视网膜膜和更换眼液。为了实现这些目标，Preceyes团队有两个优先事项:确保患者的安全，并尽可能高效地生产可工作的临床调查设备。
为了在开发进度和安全约束条件下实现他们的设计目标，Preceyes工程师需要利用已经在多个行业的其他安全关键应用中使用的建模和仿真技术。具体来说，他们需要建立复杂的控制逻辑模型，然后对他们的设计进行功能验证，首先通过仿真，然后在实际机器人上进行实时测试。除了实时控制软件，该团队还需要开发一个非实时应用程序，该应用程序具有运行在PC上的接口，医生可以在手术前和手术过程中使用该接口配置设置。
解决方案
Preceyes使用MATLAB, Simulink和Simulink Real-Time的基于模型的设计来加速其Preceyes手术系统的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，Preceyes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。
在MATLAB中对测量数据进行分析和拟合后，他们利用结果开发了一个Simulink植物模型，描述了机器人如何响应外力移动。
该团队开发了一种控制器模型，可以处理来自系统操纵杆和大约60个传感器(包括光学和磁编码器)的输入，并生成必要的运动信号，以响应外科医生的动作来移动刀尖。在这个模型中，他们将Simulink Real-Time中的EtherCAT块与机器人的EtherCAT网络节点连接。
使用Stateflow®该团队为系统的各种运行模式建模了顺序逻辑，包括校准、初始化和自我验证。
在通过仿真验证了控制器的基本操作和控制逻辑后，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-time的实时目标计算机上。这台计算机通过EtherCAT网络与机器人的传感器和电机相连。
为了改进和增强控制器，团队对模型进行了改进，通过仿真进行了检查，然后使用Simulink实时设置在实际机器人上进行了测试。
工程师们使用MATLAB UI开发工具GUIDE来开发触摸屏应用软件，外科医生使用该软件来改变手术设置，并在手术过程中接收视觉和听觉反馈。
PRECEYES手术系统的安全性和有效性已在14个外科手术中得到证实。计划在顶级手术地点进行更多的演示，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，鹿特丹眼科医院的PRECEYES手术系统。图片版权由Preceyes提供。
结果
- 核心控制器由一名工程师开发。“有了MATLAB和Simulink，我不需要自己为控制器编程底层架构。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，我怀疑单独一个工程师是否能完成这项工作，”Beelen说。“该软件由顾问进行了广泛的审查，这非常容易，因为Simulink产品具有可读性、需求可追溯性和报告生成功能。”2022世界杯八强谁会赢？
- 患者安全保证。比伦说:“我总是说，我不会把一款设备推向市场，除非我完全有信心在自己或爱人身上使用它。”“有了我们在Simulink中实施的安全机制，我百分之百确信软件不会有任何问题。”
- 工业化路线图设定。Beelen说:“为了开发我们系统的工业化版本，我们将从我们现有的控制器模型中生成代码，使用嵌入式Coder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，改进的版本控制和更大的开发团队，使用Simulink中的基于模型的测试、验证和验证功能。”
您也可以从以下列表中选择网站: