面向柔性导管远端主从介入操作的建模与控制研究

机器人辅助的导管主从介入技术极大地推动了血管微创介入手术的发展，但现有的研究大多是在近端操纵机器人的推/拉和扭转自由度，无法克服导管的柔性特点带来的远、近端运动不确定性，因此导管介入仍然面临着技术要求高和安全性差的缺点。为了改善这种状况，本项目在对柔性导管建模的基础上，综合导管远、近端力反馈和远端位置反馈信息，探索从导管远端实现主从介入的方法。首先将导管的远端弯曲段用三自由度的刚性连杆机构表示，近端鞘管段则对各个自由度引入具有不同参数的时延和比例环节来表达运动传递的延迟和衰减，从而描述导管的柔性特征。随后采用基于参考模型的前馈控制方法协调各个自由度之间的时延，实现导管远端稳定跟随主手位置；并结合阻力反馈信息及安全阈值，操作远端可控自由度保障安全性并实现可靠的力跟随性能。该方法改变了传统的操作模式，是对多种量化的传感信息在导管主从介入操作中有效利用的有益探索，具有较高的理论意义与应用价值。

本项目与沈阳军区总医院和哈尔滨工业大学联合开展，针对由于导管柔性特点引起运动不确定性导致机器人辅助导管主从介入技术仍存在技术要求高与安全性差的缺点，在对柔性导管建模的基础上，综合导管远端力和位置反馈信息，研究从导管远端实现主从介入的方法。具体取得成果如下：基于反射光强式光纤测距的微型力反馈方法，实现对导管远端与组织交互的力信息的实时检测；基于D-H参数方法建立了导管的运动学模型，构建机器人操作的雅克比矩阵；建立主手的操作空间与导管远端运动空间的直接映射，利用机器人的逆运动学控制实现远端主从操作，并开展了体外实验，并对操作精度进行了评估；基于接触力信息，结合器械的可控自由度实现器械操作的局部闭环控制，实现了安全操作。课题执行期间共发表论文23篇，其中SCI检索4篇，EI检索16篇，申请国家发明专利2项；