穿戴式精确定位介入手术机器人的力觉感知与导丝操控机理研究

Disturbances resulting from imprecise force feedback mechanisms used in interventional procedures limit the control accuracy of current interventional robot systems. Constraint such as non-adjustable intra-operative gripping force of the guide wire leads to difficulty in precise control during the procedure. This project intended to carry out studies on guide wire propulsion mechanisms for wearable interventional robot, realization of two-way force perception at doctor-patient operation ends, and human-robot intelligent collaborative control mechanisms. On this basis, a prototypical wearable interventional robotic system with precise positioning mechanisms is developed and verified with phantom and animal experiments. Specifically, the key scientific problem is positioning and precise control of the interventional master-slave robotic devices using efficient system-level optimization, and two-way force feedback mechanism for sensing human-machine interaction. The points of innovations in the study are: design of three sets of wearable devices for femoral artery, radial artery, and doctors’ side operations with improved accuracy combining with human-machine physiology and ergonomics control; two-way force feedback at control and operation ends, real compliance with doctors’ operating habits, and reduced exposure to radiation dose; expanding the vestige of surgical robots for emergency intervention, remotely interventional applications.

本项目创造性的将微创手术机器人与可穿戴设计技术相结合，研究1）介入手术推进机构、操作机构的双向力觉高保真映射机制及其可穿戴策略、2）推进机构与操作机构的构型优化和机器人系统设计、3）机器人精确定位介入手术的人机协同控制机理和安全操控机制，并完成4）基于欠驱动血管模型和实验动物的机器人感知和操控性能验证。关键科学问题是1）穿戴式介入手术机器人主-从操控效率的系统级优化和2）双向力觉信息的人-机协同感知。特色及创新点在于：1）结合人机生理学、工效学，设计股动脉、桡动脉、医生端三套可穿戴设备，组成穿戴式介入手术机器人；2）推进机构端与操作机构端实现双向力觉反馈，更真实遵从医生操作习惯，有助于降低射线剂量；3）拓展介入手术机器人适应症，开辟可优化手术方案的机器人介入手术、急救介入、远程介入等新应用。研究工作直接满足临床需求，将对微创手术机器人精确感知和精准操控理论的完善和关键技术突破起到促进作用。

心脑血管疾病呈现高患病率、高致残率和高死亡率的特点，介入治疗是目前最有效的治疗手段之一，而微创血管手术机器人因手术创伤小、患者痛苦少、术后恢复快、医生与患者的辐射损伤低等优势成为临床医学的发展趋势。本项目围绕血管介入手术机器人力操控与主从同构、可穿戴设计等关键技术，主要研究：1）介入手术推进机构、操作机构的双向力觉高保真映射机制及其可穿戴策略；2）推进机构与操作机构的构型优化和机器人系统设计；3）机器人精确定位介入手术的人机协同控制机理和安全操控机制；并完成4）基于欠驱动血管模型和实验动物的机器人感知和操控性能验证。.主要创造性成果：1）结合人机生理学、工效学，迭代研制了5套主从同构的可穿戴式介入手术机器人系统样机；2）推进机构端与操作机构端实现双向力觉反馈，更真实遵从医生操作习惯，实现了双向力觉与视觉信息下的手术机器人精确感知和精准操控。.1）项目执行期间研制主从同构血管介入手术机器人系统5套；2）机器人系统力觉感知与协同操控关键技术取得丰硕成果，双向力感知精度≤5mN，系统主从响应时间≤20ms，系统位置精度≤0.8mm，轴向进给误差≤0.5mm；3）完成动物实验10余例，积累了一定的临床前实验经验。4）发表SCI论文22篇，授权发明专利22项，高标准完成项目指标任务。.本研究的科学意义在于，目前仅美国的Corpath GRX机器人解决了部分介入诊疗问题，而且2019年美国心脏协会杂志刊文指出：当前血管介入手术机器人在手术过程中过于依赖术者经验，缺乏血管内力觉感知与手术引导功能。本项目所研制具有双向力感知功能的血管介入手术机器人能感知术中血管内力觉信息反馈到医生端操作端，让医生具有真实的手术力觉临床感，填补了国产手术机器人在力感知与精准力操控研究领域的理论与技术空白。