Robotic assistance allows surgeries to be reliably and accurately executed while still under direct supervision of the surgeon, combining the strengths of robotic technology with the surgeon's expertise. This paper describes a robotic system designed to assist in surgical procedures by implementing a virtual drill guide. The system integrates virtual-fixture functionality using a novel virtual-mechanism controller with additional visual feedback. The controller constrains the tool to the desired axis, while allowing axial motion to remain under the surgeon's control. Compared to prior virtual-fixture approaches -- which primarily perform pure energy-shaping and damping injection with linear springs and dampers -- our controller uses a virtual prismatic joint to which the robot is constrained by nonlinear springs, allowing us to easily shape the dynamics of the system. We detail the calibration procedures required to achieve sufficient precision, and describe the implementation of the controller. We apply this system to a veterinary procedure: drilling for transcondylar screw placement in dogs. The results of the trials on 3D-printed bone models demonstrate sufficient precision to perform the procedure and suggest improved angular accuracy and reduced exit translation errors compared to patient specific guides (PSG). Discussion and future improvements follow.


翻译:机器人辅助技术能够在医生的直接监督下可靠且精确地执行手术,从而将机器人技术的优势与外科医生的专业知识相结合。本文描述了一种通过实现虚拟钻孔导向器来辅助外科手术的机器人系统。该系统采用一种新型虚拟机构控制器,结合额外的视觉反馈,集成了虚拟夹具功能。该控制器将工具约束在期望的轴线上,同时允许轴向运动仍由外科医生控制。与先前主要采用线性弹簧和阻尼器进行纯能量整形与阻尼注入的虚拟夹具方法相比,我们的控制器使用了一个虚拟棱柱关节,机器人通过非线性弹簧约束于该关节,从而能够轻松地塑造系统的动力学特性。我们详细阐述了实现足够精度所需的校准流程,并描述了控制器的实现方法。我们将该系统应用于一项兽医手术:为犬类经髁螺钉植入进行钻孔。在3D打印骨骼模型上的试验结果表明,该系统具备执行该手术的足够精度,并且与患者特异性导向器(PSG)相比,显示出更高的角度精度和更低的出口平移误差。最后,我们进行了讨论并展望了未来的改进方向。

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