0引言
機器人編程仿真軟件是工業機器人應用與研究中不可缺少的工具。本文介紹的醫療編程仿真系統是基於工業機器人離線編程軟件HedraCAM所做的醫療項目應用，相對於工業機器人，醫療應用對機器人硬件要求更高的潔淨度和清潔度，對軟件的要求也更高。HedraCAM軟件具有強大的圖形化編程能力，可以方便地提取拓撲路徑，生成機器人能夠直接運行的加工程序。其簡便的可達性分析功能可協助用戶進行路徑優化，模擬編程仿真結果與實際機器人運行結果一致，可以很好地輔助實際生產，縮短加工週期。
機器人放射治療系統的核心是交互式機器人技術，基於6軸機器人，可達到0.05mm的定位精度。該系統由機器人系統、實時影像追蹤定位、紅外同步追蹤攝像機、治療計劃系統、質量保證和質量控制6個子系統組成[1]，這套完全一體化的系統可實時收到由於呼吸運動引起患者腫瘤位置改變的反饋，基於這種反饋，該機器人系統在運動中持續追蹤腫瘤的的動態位置，自動持續地以低於毫米級的精度投射每一次的治療光束[2]。
機器人系統由3臺機器人（治療牀機器人、C型臂影像系統、粒子束治療機器人）組成，結合機器人安全系統和複雜動態建模系統，機器人需要在所有硬件和軟件組件之間進行大量實時數據交換，3臺機器人的掃描編程控制軟件是保證放射治療安全、高效的關鍵。
1HedraCAM編程仿真系統功能
1.1佈局搭建
HedraCAM採用基於三角網格的模型技術，其顯著優點是輕量化。HedraCAM具有豐富的模型組件庫，並提供超過10種建模元素，用戶可以隨意組合，實現自定義模型的搭建。同時，該系統能夠讀取市場主流CAD軟件，包括CATIAUGSPro/ESolidedgeSolidworks等軟件生成的數模文件，支持的文件格式有*.3ds，*.dwg，*.dxf，*.dgn，*.stl，*.STEP，*.IGES等。通過該系統，用戶既可以導入機器人原始模型，也可以參考機械圖紙確定機器人各結構尺寸，然後在PRO/E三維實體建模下構建出機器人各個部件的三維模型，完成各零件建模後，在組件模式下進行裝配。所有定義的組件均可實現參數化、自由修改大小長度等相關屬性。
1.2運動控制
通過HedraCAM搭建的各運動模型需要相應的運動控制算法支持，以驅動和管理機器人的動作，如圖1所示。HedraCAM是一個高度可定製模擬器，幾乎每一個編程仿真的步驟都可以由用戶定義，同時HedraCAM還可通過模板或者Python腳本編程定製相應的機器人以及自動化工具的運動控制。在工業機器人領域，其算法可支持多個旋轉軸機器人或機牀、以及生產線上相應的工裝夾具、人員、傳送帶等輔助設施，也支持串聯、並聯、各種滑軌與變位機的聯動。
圖1運動控制算法
1.3拓撲路徑
現有的路徑生成方法，只能對理想化模型進行路徑生成，如果模型文件過於複雜，碎片太多，生成的切割路徑就會有很多錯誤。HedraCAM軟件可以將複雜的模型文件進行修復，刪除非法數據，保留有用信息，同時將組成模型的各個碎片進行整合，使之變成一個理想化的完整模型，再用成熟的拓撲技術生成機器人路徑，如圖2所示。
圖2拓撲路徑
1.4碰撞檢測
碰撞檢測（如圖3所示）是機器人軌跡規劃、計算機編程仿真等領域的重要問題之一。HedraCAM可以通過靈活的方式對兩個實體之間進行碰撞檢測，其碰撞檢測模塊可實現在幾何組件中快速判斷各種干擾與碰撞，以及計算多個組件間的最小距離，並在界面中實時顯示。用戶可使用碰撞檢測編輯器自定義碰撞測試，碰撞狀態可視化，顯示不同顏色。
圖3碰撞檢測
1.5編程虛擬仿真
編程虛擬仿真可對生成的機器人路徑軌跡進行虛擬運行，運行過程中，可任意啓動或者關閉碰撞檢測，其位置可達性檢測等功能可以暫停或者繼續模擬，或者重置模擬。用戶可在虛擬和真實時間模式之間進行切換，任意控制增加或減少編程仿真步長，實現加速模擬和減速模擬。同時，用戶還可以將整個編程仿真過程記錄成PDF動畫或MP4視頻文件。
2HedraCAM編程仿真系統醫療應用
醫療系統由各醫療硬件設備、圖像處理系統、位置跟蹤系統、機器人、患者等要素組成，如圖4所示。醫療系統應用軟件作爲整個醫療系統的重要組成部分，主要由離線構建系統和在線實施系統兩個子部分組成。在給腫瘤患者制訂相應治療計劃時，整個醫療系統的運作流程如下：首先離線系統根據患者的腫瘤特性，生成原始離散點位，並輸入相關的參數進行篩選，從而獲得安全可達的工作區域，其次圖像系統根據安全工作區域選取最佳治療點集，然後離線軟件對治療點集進行路徑規劃，使之滿足應用需求，最後利用編程仿真系統模擬驗證治療路徑的可行性。治療計劃製作完畢後，在線系統可以遠程控制治療室機器人設備運行，從而對患者進行治療，並同步編程仿真現場設備的運行狀態，意外情況下可使用緊急控制系統，位置跟蹤系統作爲第三方標定系統，可實時監控位置偏差是否滿足需要。
圖4 醫療系統要素
2.1離線構建系統
2.1.1 場景佈局搭建
本次應用參考射波刀(Cyber knife)機器人手術平臺[3]，來建設放射治療機器人手術平臺。放射治療機器人手術平臺如圖5所示，由兩臺六關節串聯機器人組成，分別爲治療頭機器人和治療牀機器人，如圖5中組件1和組件8。治療頭機器人接外部軸——旋轉軸變位機(c臂影像系統圖5中組件3)，治療牀機器人接外部軸——平移軸滑軌(圖5中組件7)，變位機與滑軌連接，治療牀與治療牀機器人法蘭連接（圖5中組件6和8連接），c臂中心即是治療球中心。在對患者腫瘤進行治療時，治療牀機器人將患者腫瘤中心送至c臂中心，然後治療頭機器人再根據醫生制定的治療計劃對腫瘤中心進行放射性治療，在這過程中c臂做跟隨運動。
圖5放射治療機器人手術平臺
( 注：1、治療頭機器人 2、治療頭 3、c臂 4、患者 5、治療球 6、治療牀 7、滑軌 8、治療牀機器人)
2.1.2 安全工作空間
針對人體腫瘤需要構建治療安全區域。治療安全區域是當治療牀機器人將人體腫瘤中心送至治療球中心位置時，治療頭機器人TCP沿着該區域運動，機器人手術系統中各個組件之間的距離在安全距離(如表1)之外，不會發生碰撞的球面區域集合。本文所介紹的實驗分頭部腫瘤和盆腔腫瘤，在表1組件之間的安全距離限定下，通過框架碰撞檢測實驗構造頭部治療安全區域（如圖7所示）和盆腔治療安全區域（如圖6所示）。
表1 組件之間的安全距離限定
圖6盆腔安全工作空間
圖7 頭部安全工作空間
2.1.3 路徑規劃
醫生根據腫瘤患者的身體情況，對全部可達工作空間的離散點位集合進行篩選處理，選擇某些特定的球面點作爲最佳治療點位，但這些初始治療點位集合是無序的，需要對其進行路徑規劃。路徑規劃的總體原則是利用球面圓弧過渡，在同一緯度上或者同一經度上的點，如果在本區域內圓弧過渡的是不同經緯度的點，則需要經過球面經緯度的直角過渡點進行過渡。
圖8中紅色的A、E點代表治療點位，藍色的C點代表球面直角過渡點，綠色的B、D點代表圓弧的輔助過渡點。從圖中我們可以看出，A、B、C和C、D、E分別構成一個簡單的圓弧運動。
圖8 球面過渡示意圖
具體實驗方案爲定點治療和拉弧治療，如圖9、圖10所示。定點治療是指在安全區域選取特定的治療點，治療頭機器人運動到治療點處於靜止時，根據需要定時開粒子光束，粒子光束關閉後，機器人通過下一個治療點，進行同樣的粒子光束開關操作，治療點之間根據需要外加特定的過渡點，以避免實際操作中機器人碰撞和不可達等情況。拉弧治療是指在安全區域選取特定的弧段進行拉弧操作，即從弧端拉到弧末，中間過程中，粒子光束處於打開狀態，當切換弧段時，粒子光束關閉。
圖9 定點治療
圖10 拉弧治療
2.1.4 治療計劃保存
通過模擬編程仿真確認路徑安全可靠後，可以將經過篩選並且通過路徑規劃過的治療計劃，保存成特定形式的數據文件，供在線控制系統調用。如圖11所示。
圖11 治療計劃數據文件
2.2 在線實施系統
2.2.1 實時通信配置
在線控制機器人的基礎依賴於機器人控制器是否能夠和上位機進行實時數據傳輸。基於C/S模型的機器人控制器與外部計算機之間的通信原理：當服務器運行服務器端程序時，響應並執行來自客戶端的服務請求，最後向客戶端返回計算結果；而當客戶機運行客戶端程序時，是向服務器發出請求，從而獲得服務器響應。
本應用場景中使用的KUKA機器人，EthernetKRL是其多種外部通信選項之一[4]。該模塊首先需要配置數據通信頻道的數據格式，然後在機器人控制系統中寫入相應的控制程序代碼，再分別通過相關接口接收外部系統數據以及發送數據到外部系統，通過這種方式可實現上位機軟件與機器人控制器之間的實時通信功能，如圖12、圖13所示。
圖12 KUKA機器人通信原理
圖13 KUKA機器人通信配置
2.2.2 遠程在線控制
在線控制功能面板由治療計劃數據管理、連接狀態顯示、治療運行控制、緊急狀態控制、實時數據文件保存等功能組成，如圖14所示。連接狀態表示當前軟件與機器人控制器特定頻道的連接狀態，共分爲白色、綠色和紅色3種顏色，分別代表初始狀態、連接成功和連接失敗。
在對患者進行實際治療時，首先嚐試與機器人建立實時狀態和運動控制頻道的網絡通信，當兩個頻道的通信全部連接成功後，即加載所要實施的治療計劃，然後點擊開始治療按鈕，機器人控制系統即驅動機器人運動到目標治療點位，對患者進行治療。在治療過程中，如果發生意外情況需要進行中斷治療，可以使用暫停治療功能，命令機器人馬上中斷當前正在執行的動作，並停在原處。此時，一般會有兩種情形，一種是需要進行繼續治療，那麼繼續治療功能按鈕會命令機器人執行暫停之前的治療計劃，直到完整的治療計劃結束。而另外一種情形是治療需要就此停止，治療結束。
圖14 在線控制面板
2.2.3 同步編程仿真
在線控制面板中的實時數據存儲模塊，可以將治療過程中機器人控制系統的實時數據以20ms左右的頻率保存到指定文件中，該文件包括機器人的實時笛卡爾座標信息、各關節軸角度以及姿態信息等數據，用戶可對該文件進行查看分析。同時，編程仿真引擎中的各個機器人根據實時狀態頻道傳輸過來的實時位置信息，在軟件中經過特殊編程處理，可以實現編程仿真面板中的各運動組件與實際設備動作同步，如圖15所示。醫生可以在監控室檢查編程仿真界面，遠程監控治療室的設備運行狀態。
圖15 同步編程仿真
3結論
本文主要介紹了HedraCAM軟件功能，以及基於HedraCAM軟件的醫療應用，通過搭建放射治療機器人手術平臺，對患者腫瘤進行治療。
機器人在醫療行業的應用成爲當前發展趨勢[5]，而機器人放射醫療系統作爲當今最先進的腫瘤治療技術，適用於全身各部位腫瘤的治療，不但對體部腫瘤治療具有明顯優勢，而且對肺癌、肝癌、胰腺癌、頭頸部腫瘤、前列腺癌、腹膜後腫瘤、各種侷限性淋巴結轉移、局部復發等治療均具有非常高的有效率[6]。只需1-5天的照射，整個治療過程大約需要30～90分鐘即可殺死腫瘤組織，是唯一無傷口、無痛苦、無流血、無麻醉和無需恢復期的全身放射手術形式，術後患者即可回家，這不僅使患者減輕了痛苦，同時也帶來了治癒的希望。
參考文獻
[1]房愛玲.Cyberknife的系統構成及臨牀應用[J].醫療衛生裝備，2009,4（30）:104-105.
[2]袁智勇.機器人輔助的放射外科治療系統——射波刀[J].開卷有益:求醫問藥,2007(1):8-9.
[3]Schweikard A，Shiomi H，Adler J.Respiration tracking in radiosurgery without fiducials[J].The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery，2005，1(2):19-27.
[4]KR C2/KR C3 Expert Programming KUKA System Software(KSS) Release 5.1 BETA[Z].KUKA Roboter GmbH.
[5]TroccazJ.Medical Robotics[M].British Library Cataloguing-in-Publication Data,2011.
[6]Goldschmidt M H, Hendrick M J. Tumors of the Skin and Soft Tissues[J]. Tumors in Domestic Animals Fourth Edition, 2002, 434(5):393-400.