基于虚拟现实的机器人辅助尸检组织采样数字孪生系统构建与验证

《IEEE Robotics and Automation Letters》：Corrections to “A Digital Twin for Robotic Post Mortem Tissue Sampling Using Virtual Reality”

本刊推荐：为解决传统尸检组织采样效率与精度问题，研究人员开展了基于虚拟现实（VR）的机器人辅助采样数字孪生研究。研究构建了虚实交互的系统框架，验证了其在规划与执行层面的可行性，为法医病理学提供了创新技术方案，对提升尸检（post mortem）操作的标准化与安全性具有重要意义。

　　

在法医病理学和医学研究领域，对逝者进行尸检（post mortem）并获取组织样本是一项至关重要的工作。这些样本为疾病诊断、死因判定以及科学研究提供了不可替代的生物学证据。然而，传统的尸检组织采样过程高度依赖解剖病理医师的手工操作，面临着诸多挑战：操作环境具有生物危害性，对操作者存在健康风险；采样过程的精确度和可重复性难以保证，可能影响后续分析结果的可靠性；此外，缺乏有效的术前规划和模拟手段，使得复杂病例的采样难度增大。如何提升尸检组织采样的安全性、精准性和效率，成为一个亟待解决的关键问题。

随着机器人技术、虚拟现实（Virtual Reality, VR）以及数字孪生（Digital Twin）概念的兴起，为上述问题的解决提供了新的思路。数字孪生是指通过数字化手段，在虚拟空间中构建一个与物理实体完全一致的镜像，从而实现虚实之间的交互与反馈。将这一技术应用于医疗领域，特别是机器人辅助手术（Robot-Assisted Surgery），能够允许医生在虚拟环境中对手术流程进行预演、规划和优化，再将最优方案无缝部署到真实的机器人系统上执行，这有望显著提升手术的安全性与可控性。基于这一背景，由Maximilian Neidhardt、Ludwig Bosse、Vidas Raudonis、Kristina Allgoewer、Axel Heinemann、Benjamin Ondruschka和Alexander Schlaefer组成的研究团队，在《IEEE Robotics and Automation Letters》上发表了他们的研究成果，探讨了如何构建一个用于机器人辅助尸检组织采样的数字孪生系统。

为了回答如何安全、精准地进行尸检组织采样这一问题，研究人员开展了一项融合虚拟现实、机器人学和数字孪生技术的跨学科研究。本研究旨在开发并验证一个集成框架，使得操作者能够在一个沉浸式的虚拟现实环境中，对尸检组织采样任务进行规划和模拟，然后将规划好的指令传递给物理机器人，由机器人在真实的尸检样本上执行采样操作。这项研究的意义在于，它首次将数字孪生理念系统性地应用于尸检这一特定场景，不仅为法医病理学操作提供了创新的技术工具，也为更广泛的机器人辅助介入治疗提供了可借鉴的范式。该研究通过了汉堡医师协会伦理委员会的批准（批准号：2020-10353-BO-ff），确保了研究过程符合伦理规范。

本研究主要基于数字孪生技术框架，整合了虚拟现实交互、机器人运动控制与三维可视化等关键技术。研究人员首先构建了物理机器人系统及其工作环境的精确虚拟模型。利用虚拟现实技术，操作者可以沉浸式地与虚拟模型进行交互，完成组织采样的路径规划。关键的创新在于建立了虚拟环境与物理机器人之间稳定、精确的数据通信链路，确保虚拟规划能够被准确无误地映射到真实世界的机器人动作上。研究涉及的样本来源符合伦理规范，并在此技术框架下进行了系统性的验证实验。

研究结果

系统框架构建

研究人员成功设计并实现了一个完整的数字孪生系统框架。该框架核心包括三个部分：基于VR的交互式规划界面、物理机器人系统以及连接虚实两者的双向数据通信模块。在虚拟端，系统高保真地还原了机器人模型和待采样的组织形态；在物理端，机器人执行机构负责完成实际的采样操作。这一框架的建立，为实现从虚拟规划到物理执行的闭环提供了基础。

虚拟现实交互与规划验证

通过让操作者在VR环境中进行采样路径规划，研究验证了该交互模式的直观性和有效性。操作者能够利用VR手柄等设备，在三维空间中自由定义采样点和器械路径，系统可实时显示规划的可行性与预计效果。这部分研究表明，VR界面极大地增强了操作者对复杂采样任务的空间感知和规划能力，为后续的物理执行奠定了坚实基础。

机器人执行精度评估

研究团队对物理机器人执行虚拟规划指令的精度进行了定量评估。通过比较虚拟规划路径与实际机器人执行轨迹之间的偏差，分析了系统的整体精度。结果表明，该系统能够将虚拟规划高精度地转化为物理动作，误差控制在允许范围内，满足了组织采样对定位精度的要求，证明了数字孪生系统在任务执行层面的可靠性。

研究结论与意义

本研究成功构建并验证了一个用于机器人辅助尸检组织采样的数字孪生系统。研究结论表明，融合虚拟现实技术的数字孪生方法，能够有效地用于尸检组织采样任务的术前规划和模拟，并能通过机器人系统实现精准的物理执行。这种方法显著提升了操作过程的规划能力、可重复性和安全性，降低了对操作人员的直接暴露风险。

该研究的重要意义体现在多个方面：在技术层面，它展示了数字孪生技术在复杂、高风险医疗操作中的巨大应用潜力，为机器人辅助手术的发展提供了新的技术路径。在法医学实践层面，该技术有望推动尸检操作的标准化和自动化，提高取证工作的质量和效率。此外，该研究框架具有可扩展性，未来或可应用于其他类型的微创手术或介入治疗训练与规划中。本研究由欧盟地平线欧洲计划（Grant 101059903）、NaviTip项目（Grant 16KN113039）、德国联邦教育与研究部（BMBF）NATON项目（Grant 01KX2121）以及德国研究基金会（Grant ON184/1-1）等多个机构资助，体现了其重要的学术价值与应用前景。尽管本研究取得了显著成果，未来工作可能包括在更复杂的解剖结构上测试系统、优化人机交互流程以及进行大规模的临床验证。