用户故事

Preceyes使用基于模型的设计加速了世界上第一个眼科手术机器人的开发

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

利用MATLAB和Simulink对控制系统进行建模和仿真，并利用Simuli金宝appnk Coder和Simulink Real-Time将其部署到实时目标上

结果

  • 核心控制器由一名工程师开发
  • 确保病人安全
  • 制定工业化路线图

“MATLAB和Simu金宝applink提供了一个单一的平台，支持我们机器人系统所需的完整工作流程和所有金宝app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

PRECEYES手术系统。该系统操纵进入眼睛的仪器，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。图片版权归Preceyes所有。

在眼内进行的玻璃体视网膜手术需要一定程度的精度和稳定性，这对于人手来说是极其难以维持的。与人口老龄化密切相关的玻璃体视网膜疾病的大量增加，要求开发新的治疗方法，要求更高的精度。例如，一种潜在的视网膜静脉阻塞的新治疗方法是将一根针插入像人类头发一样细的静脉中，并将其静止约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进行了世界首例机器人辅助玻璃体视网膜手术。他们使用了PRECEYES手术系统，这是一种机器人助手，可以测量外科医生的运动，过滤手部颤抖，以实现前所未有的稳定性和精度。

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视网膜的距离。提供基于传感器的安全性和指导，这种方法有望在要求高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MATLAB基于模型的设计设计并实现了机器人的控制系统®,仿金宝app真软件®，以及Sim金宝appulink Real-Time™。

Preceyes联合创始人兼集成经理Maarten Beelen表示:“作为一家精益创业公司，在设计最终产品之前，为了获得临床反馈并建立证据，在不影响安全的情况下快速发布首次产品对我们来说非常重要。”“金宝appSimulink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为其手术系统设定了雄心勃勃的目标。精度的提高不仅使新的手术成为可能，还将改进现有的手术，如剥离视网膜膜和更换眼睛的液体。在朝着这些目标努力的过程中，Preceyes团队有两个优先事项:确保患者的安全和尽可能高效地生产一种工作的临床调查设备。

为了在开发进度和安全限制下实现设计目标，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，该应用程序具有在PC上运行的接口，医生可以在手术前和手术中使用该接口配置设置。

解决方案

Preceyes使用MATLAB、Simulink和Simulink Real-Time基于金宝app模型的设计来加速其Preceyes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，Preceyes的工程师进行了系统识别测试，在测试中，他们使用Simulink real为机器人的11个电机产生激励信号，然后测量其11个自由度中的每个电机的响应。金宝app

在MATLAB中分析和拟合测量数据后，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施加的力而移动。金宝app

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工具尖端。在这个模型中，他们将Simulink real中的EtherCAT块与机器人的EtherCAT网络上的节点进行接口。金宝app

使用Stateflow®，该团队为系统的各种工作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-time的实时目标计算机上。金宝app这台计算机通过EtherCAT网络连接到机器人的传感器和电机。

为了完善和增强控制器，团队对模型进行了改进，通过仿真进行了检查，然后使用Simulink Real-Time设置在实际机器人上进行了测试。金宝app

工程师们使用MATLAB UI开发工具GUIDE开发了外科医生用来改变手术设置并在手术过程中接收视觉和听觉反馈的触摸屏应用软件。

PRECEYES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(Rotterdam Eye Hospital)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。

鹿特丹眼科医院手术前的PRECEYES手术系统。

鹿特丹眼科医院手术前的PRECEYES手术系统。图片版权归Preceyes所有。

结果

  • 核心控制器由一名工程师开发。“有了MATLAB和Simulin金宝appk，我不需要自己为控制器编写低级架构。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，我怀疑如果不是单独一个工程师就能完成这项工作，”Beelen说。“顾问们对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、需求可追溯性和报告生成功能。”下载188bet金宝搏金宝app
  • 患者安全得到保证。比伦说:“我一直说，除非我完全有信心在自己或爱人身上使用，否则我不会把一款设备推向市场。”“有了我们在Simulink中实施的安全机制，我百分百确信这个软件不会有任何问题。”金宝app
  • 制定工业化路线图。Beelen说:“对于我们系统的工业化版本的开发，我们将通过从现有的控制器模型生成代码来节省时间，使用Embedded Coder瞄准嵌入式处理器。”“我们将遵循更正式的开发和测试工作流程，改进版本控制和更大的开发团队，使用Simulink中基于模型的测试、验证和验证功能。”金宝app

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