Corindus平台首次实现人体远程机器人冠状动脉介入
挑战
开发一个远程机器人平台，使医生能够远程执行PCI程序
解决方案
利用MATLAB和Simulink进行基于模型的设计，对机器人和控制系统进行仿真，实现实时原型，并为生产系统生成代码
结果
- 世界上第一例人工远程机器人PCI手术
- 开发时间减半
- 工程工作减少了80%
“基于模型的设计对我们的创新能力至关重要，因为它让我们开发新的能力并快速部署它们。我们可以快速构建一个原型，展示它满足需求，然后在进入产品开发阶段时完善它。”
道格·提尼，科indus的首席运营官
医生从介入驾驶座舱驾驶CorPath GRX。图片来源:Corindus
对于患有急性心脏病发作或中风的患者来说，迅速找到能够进行必要干预的医生是至关重要的。不幸的是，并不是所有的医院都有经过培训的医生进行经皮冠状动脉介入(PCI)或神经血管介入(NVI)程序。
Corindus已经开发并部署了一个机器人平台，使医生能够对数百到数千英里外的患者进行PCI和潜在的NVI手术。最近，它被用于执行第一例人类远程机器人PCI。该平台是该公司CorPath的扩展®GRX系统的开发是为了减少医生的辐射暴露，使医生能够在导管实验室的屏蔽工作站操作，同时为患者提供机器人精度。Corindus使用了基于模型的MATLAB设计®和仿真软件®创建CorPath GRX，并添加对视频和控制数据实时传输的支持。
“CorPath平台使医生能够做一些他们通常不能做的事情，那就是同时在两个地方，”Corindus研发副总裁Per Bergman说。“基于模型的设计使我们能够通过仿真验证平台设计，减少开发迭代，并快速开发出世界上第一个远程机器人PCI的原理验证系统。”
挑战
对于最初的CorPath GRX系统，Corindus团队希望在投入硬件之前通过仿真验证他们的机器人控制设计，从而加速开发。他们还想通过实时模拟和测试来验证设计，并在嵌入式微控制器上实现它。
为了增加CorPath GRX的远程功能，该团队需要将患者位置的透视和血流动力学视频数据实时发送给医生，并将操纵杆和其他控制数据发回。为了保证患者的安全，数据必须以高可靠性和低延迟的方式传输。
解决方案
Corindus采用基于模型设计的MATLAB和Simulink开发了CorPath GRX平台控制软件和远程机器人干预的实时通信能力。
Corindus工程师在Simulink中为第一代CorPath 200系统建模。对于第二代CorPath GRX，工程师们对设计的新元素进行了建模和模拟，包括无刷电机，导管子系统的旋转和移动关节，以及相应的控制器。
在通过闭环模拟验证控制器设计后，该团队创建了一个原型在活的有机体内测试和快速控制原型，使用Simulink Coder™和Simulink Real-Time™从模型生成实时应用程序，并在与实际机器人设备接口的Speedgoat实时PC上运行。
对于CorPath GRX的生产版本，他们使用嵌入式编码器为TI的Piccolo™微控制器生成C代码®．除了通过目标上的测试来验证此代码之外，团队还使用Simulink coverage™执行了代码覆盖分析，并使用Polyspace Bug Finder™执行了静态代码分析。他们将这些分析的结果包括在提交给FDA的许可中。
为了将远程机器人功能整合到CorPath平台中，他们建立了一个通信链接，通过两台运行Simulink Real-Time的Speedgoat目标计算机在远程和本地站点之间发送视频数据和控制命令。
在本地(患者端)的Speedgoat系统中，他们通过带有Image Acquisition Toolbox™的USB接口捕获了高清血流动力学和透视视频数据，并使用CAN接口向GRX机器人发送命令。
远程(医生端)Speedgoat系统接收视频数据并将其呈现给医生。该团队使用计算机视觉工具箱™来缩放显示中的图像，并插入说明当前网络延迟和显示帧每秒速率的文本。对于远程端，他们还开发了一个触摸屏控制应用程序，并使用MATLAB Compiler™将其部署为一个独立的应用程序。
该团队通过IEEE实现了Speedgoat目标计算机之间的时钟同步®1588™精确时间协议(PTP)从Simulink实时阻塞。
为了测试远程机器人的能力，介入心脏病专家瑞安·马德博士在位于10英里外的血管内训练模拟器上进行了操作。在这些测试中，团队通过在系统中注入从毫秒到整秒的网络延迟来评估网络延迟对可用性的影响。这些基于模拟器的测试之后是在活的有机体内动物测试。
Tejas Patel博士完成了第一例人体远程远程机器人辅助PCIs，他在两天内成功完成了5次手术，手术地点位于32公里外的印度艾哈迈达巴德的Apex心脏研究所。
Corindus工程师目前正在寻求FDA批准将CorPath用于神经血管手术。他们还使用基于模型的设计，将用于前五种程序的原理证明设置转换为广泛临床使用的生产系统。
结果
- 世界上第一例人工远程机器人PCI手术。Corindus的研发人员Nicholas Kottenstette表示:“基于模型的设计使我们能够确保第一批使用CorPath平台远程执行的pci既安全又成功。“在部署到实时目标之前，我们能够模拟整个系统，并验证我们的算法能够满足要求。当我们的系统在模拟中工作时，我们有信心在部署中也能工作。”
- 开发时间减半。”基于模型的设计使我们的小型产品开发团队在短短4个月内开发并演示了远程机器人能力，减少了成本和开发时间。”“如果采用传统的手工编码方法，我们至少要花两倍的时间。”
- 工程工作减少了80%。Kottenstette说:“使用Simulink、Simulink Real-Time和Speedgoat硬件，我们只用了三名全职工程师，就在几周内开发并部署了实时控制算法。“如果没有基于模型的设计，我们将需要五倍的资源来达到同样的结果。”
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