手术机器人夹持器械-组织互作用机理及界面结构优化研究

As a typical representative of intuitionistic surgery, robot assisted endoscopic surgery is a hot topic in the field of surgical surgery. Due to lack of force feedback robot operation, the doctor force state of organs of perception rely entirely on visual feedback, unable to form a clamp force feedback control of precise instruments, resulting in abnormal tissue interface devices - mechanical contact, tissue damage or slip. This project takes on the organization holding operation as the main object of study, to operate under the constraints of minimum effective tissue damage as the goal, basing on the theory of contact mechanics, by means of linear elastic interface force model and finite element simulation method, studying the coupling relationship among instrument interface geometry and tissue damage characteristics and operating force and reveal the sensitive factors and law of action,then, integrating the adaptability of interface structure and different organizations at the level of safety interaction, and building a system design and evaluation theory system to meet the needs of intuitive surgery clinical service performance. The purpose of this project is to further enrich and develop the basic theory of the research on the system of biological tissue coupling, and promote and improve the level of design and manufacture of surgical robot Instruments, and promote the interdisciplinary and interdisciplinary integration.

作为视觉外科的典型代表，微创手术机器人是当前外科手术领域的研究热点。由于机器人手术操作缺乏力反馈，医生对器官组织受力状态的感知完全依靠视觉反馈，无法对器械夹持力形成精确负反馈调控，导致器械-生物组织界面出现异常力学接触，出现组织损伤或者滑脱。本项目以对组织的夹持操作为重点研究对象，以操作有效性约束下组织损伤最低为目标，基于接触力学基本理论，通过超弹性组织损伤模型、线弹性界面生效模型及有限元仿真方法研究器械界面几何结构与组织损伤特征及操作力之间的耦合关系，揭示造成损伤的敏感因素及其作用规律，进而综合界面结构与不同组织在安全交互层面的适应性范围，构建满足临床服役性能需求的手术机器人器械界面设计及评估理论体系。通过本项目研究，旨在进一步丰富和发展手术机器人器械与生物组织耦合系统研究的基础理论，促进和提高手术机器人的设计、制造水平，促进多学科间的交叉与融合。

由于机器人手术操作缺乏力反馈，医生对器官组织受力状态的感知完全依靠视觉反馈，无法对器械夹持力形成精确负反馈调控，导致器械-生物组织界面出现异常力学接触，出现组织损伤或者滑脱。本项目以对组织的夹持操作为重点研究对象，以操作有效性约束下组织损伤最低为目标，基于接触力学基本理论，通过超弹性组织损伤模型、线弹性界面生效模型及有限元仿真方法研究器械界面几何结构与组织损伤特征及操作力之间的耦合关系，揭示造成损伤的敏感因素及其作用规律，进而综合界面结构与不同组织在安全交互层面的适应性范围，构建满足临床服役性能需求的手术机器人器械界面设计及评估理论体系。. 本项目通过分别对离体的小肠、结肠进行压缩牵拉，分别在压缩、牵拉方向上进行加载-卸载试验、蠕变试验、应力松弛试验，明确了压缩牵拉过程中肠道组织的生物力学变化；通过对小型动物猪肠道组织进行夹持，夹持后对损伤进行量化，得到组织损伤的压力阈值和时间阈值；最后，通过本研究通过借鉴湿粘附动物树蛙脚掌的微结构，设计了5种形状的微棱柱界面，采用浸提液法对界面进行了生物相容性评价，对器械界面进行优化。通过本项目研究，旨在进一步丰富和发展手术通过本项目研究，旨在进一步丰富和发展手术机器人器械与生物组织耦合系统研究的基础理论，促进和提高手术机器人的设计、制造水平，促进多学科间的交叉与融合。