基于可变形自然腔道的经鼻微创手术机器人力-位耦合运动约束研究

Intranasal Minimal Invasive Surgery (IMIS) is a kind of Natural Orifice Translumenal Endoscopic Surgery (NOTES). In current manually or robot assisted IMIS, the spacial motion adjusting skill to handle the operation tool is strongly dependent on the surgeon's experience. During the operation, the intranasal tissues are pulled or pressed by the operation tools. The acting force between tools and tissues is also estimated and controlled by the surgeon. Keeping the stability and accuracy of the operation during a long duration operation is very difficult. In this project, a robot assists the surgeon to control and constraint the motion of the operation tools. Considering the complexity of the intranasal operation space and the deformation caused by the action force between tools and tissues, the research focuses on the following basic theories and key technologies: intranasal multi-tissue (soft tissues, cartilage, bone, etc.) biomechanics modeling, tissue injury controlling in tool-tissue interaction, constraint boundary modeling with large scale deformation of tissues, and hybrid force/position constraint with boundary. An IMIS assistant robot with human-machine cooperative control mode will be extended to serve as an experimental platform. The performance of the proposed theory and technology will be evaluated regarding aspects of stability, safety and operation coverage rate. This research project provides an important theoretical support for the clinical application of such robots and has important scientific significance and research value.

经鼻入路微创手术属于经自然腔道类手术。传统医生手术以及现有的机器人辅助经鼻微创手术中,手术器械的调整和运动控制均依赖医生的经验进行。动作过程中器械对鼻腔及其周围组织的牵拉、挤压程度均由医生进行判断和控制。而在长时间手术过程中，医生难以持续性的保持手术操作的稳定性和安全性。本项目采用机器人辅助医生进行手术器械的运动控制和约束,充分考虑手术入路及操作空间的复杂性以及术中鼻腔组织受器械牵拉变形产生的大尺度变形性,重点研究经鼻入路中软组织、软骨组织、骨组织等多组织复杂生物力学建模、器械-组织交互作用过程中的损害控制、大尺度组织变形情况下的约束边界建模、基于交互力和大尺度变形约束边界的运动约束策略等基础理论和关键技术问题。采用人-机协作式经鼻微创手术机器人作为实验验证平台,从对手术器械运动约束的有效性、安全性和术野覆盖范围等方面进行评价，为该类手术机器人的临床应用提供科学理论支撑。

针对传统鼻内镜手术中,手术器械的位姿调整高度依赖医生经验，医生术中长时间持镜，操作的稳定性和安全性难以持续性保持等问题，本项目对机器人辅助鼻内镜手术技术进行了系统性研究。重点研究经鼻手术中多组织生物力学建模、器械-组织交互作用过程中的损害控制、术中约束边界建模、基于交互力和变形约束的机器人运动约束策略等基础理论和关键技术问题。.首先，通过人体鼻腔组织的三维重建，利用有限元方法获取了鼻腔入口处安全变形大小及规律。基于六维力传感器构建了鼻腔组织力学数据采集系统，分析得到了鼻腔入口处及各个鼻窦的安全力阈值；最终得到了鼻腔安全变形约束边界模型。然后，通过把鼻内镜末端点映射到鼻腔鼻窦点云模型，得到了基于局部约束搜索的实时碰撞检测算法。基于虚拟夹具技术，研究操作空间内不同区域的安全运动约束策略。利用拒止型、引导型等虚拟夹具，对机器人末端的鼻内镜运动进行了约束，从而保证了手术的安全性，实现鼻内镜手术的全过程约束。其次，针对机器人在手术中的三种控制模式，分别提出了相应的运动控制方法。综合三种控制模式，结合RCM 运动约束、虚拟夹具运动约束以及鼻内镜和鼻腔组织的接触力等提出基于力-位耦合的运动约束控制模型，实现了整个手术过程的全程安全控制。最后，搭建经鼻微创手术机器人系统，参照现有临床手术规范，制定了机器人辅助经鼻微创手术的手术操作流程。针对机器人操作的约束效果、约束范围等方面开展了相关实验，并进行了综合评价，验证了本项目提出的理论方法及其机器人系统在临床上的有效性，为该类手术机器人的早日临床应用提供了科学理论支撑。