基于折展结构的经自然腔道手术器械入路载体设计与优化

Closely following the minimally invasive and even non-invasive development of medical operation, this research provides a pipeline supporter for natural orifice surgery. In nature, a snake can swallow an object several times larger than its diameter. Taking this phenomenon as the reference sample and through bionic design, the proposed pipeline supporter is supposed to enter the digestive tract in a small volume, and once in place, expand radially outward for internal expansion, thus providing a working channel for the medical instrument. For this purpose, this program mainly focuses on a combining unit of rigid-flexible structure which satisfies the flexible entrance and provides a certain extension force. This study integrates mathematical modelling and finite element analysis, digs deep into the internal geometry of aerodynamic structure unit which can realize the set trajectory of extension, and reveals the mapping relation between deformation of the combining unit and actuation. Furthermore, from the biocompatible perspective, this design clads a woven mesh structure on the surface of said combing unit, and, through the insertion of optical fiber sensor in the weaving process, extracts pressure and micro-slip friction force with the wall of natural orifice when the pipeline expands, feeding them back to the driving system to guarantee the safety of operation. Finally, a prototyping system is established and the validity of the proposed design is tested through experimentation. This program provides a new alternative for natural orifice surgery, and thus is of great importance to the promotion of high-end treatment technology in China.

紧密围绕手术微创化、无创化发展需求，研究可为经自然腔道手术（NOTES）提供可靠支撑的载体。以自然界中蛇类可吞下若干倍自身直径大小物体为参考样本，基于折展原理，以仿生设计为手段，研究可以小体积形式进入消化道，并在就位后可沿径向扩展使其内部扩张，进而为NOTES器械提供工作通道的实现方法。对此，项目将重点探究满足柔态进入并可提供一定径向扩展力的刚柔结构单元组合，融合数学建模及有限元分析的方法，挖掘可实现设定扩展轨迹的折展结构单元几何形态，并揭示结构单元运动输入输出映射关系；进一步，从生机相容角度，在所述结构单元组合表层包覆编制网结构，并通过在编织过程嵌入光纤传感器的思路，提取管路扩张时与自然腔道壁之间的压力与微滑移摩擦力，反馈至驱动系统以保障安全性；最后，搭建样机系统，采用实验手段测试所提出设计理念的有效性。本项目可为经自然腔道手术提供新的思路，可为我国高端医疗器械发展提供基础支撑。

本项目围绕手术微创化的发展需求，以仿生原理为手段，基于柔性驱动原理以及可展结构机构学理论，研究可实现径向折展的经自然腔道管状入路载体设计方法，并探索内置驱动与传感的实现途径，建立柔性手术器械入路载体样机，并进行实验验证。研究执行期间，完成了用于自然腔道手术变尺度折展单元设计与优化、基于气动软体结构的变尺度入路载体实现方法、驱动软体材料制备、变尺度单元传感与集成，以及实验研究与测试等任务；实验结果表明，应用所提出的管道入路载体能够实现以小尺度向自然腔道介入，并扩展为入路载体，可为自然腔道手术器械提供稳定的支撑，并可使腔道所受法向力和切向力的峰值下降约50%，解决了手术稳定灵活操作与组织交互安全之间难以兼顾的问题，为经自然腔道手术发展提供创新解决方案。本项目研究成果具有一定的应用潜力，其折展机构设计原理及驱动方法等关键技术指导妙手腔镜手术机器人开发了具有大工作空间与体积比的折展操作臂及多自由度腔镜手术器械，该系统实现了科技成果转化，项目负责人获得天津大学科技成果转化突出成就称号。. 通过本项目研究，培养国家级青年人才1名（项目负责人获得优青基金资助）、硕/博研究生7名，发表学术论文 20 篇（其中期刊论文 17 篇，会议论文 3 篇）；申请国家发明专利6项（其中授权国家发明专利 1项）；获得国家技术发明二等奖（负责人排二），天津市首个技术发明特等奖（负责人排三）等重要奖励；项目负责人作为第一获奖人获得第五届全国临床创新与发明大赛微创外科赛区一等奖、2020 好设计华北地区金奖及Medical Robotics For Contagious Diseases Challenge 国际大赛最佳设计亚军等；并作为指导教师获得 2020 智能医学创新创意大赛二等奖，受邀做大会邀请报告 8次。此外，项目负责人担任了 2020 年度国家“智能机器人”重点研发专项指南编制专家、医用机器人标准化技术归口单位专家组委员、中国医学装备协会转化医学分会常务委员、中国医学装备协会智能装备技术分会委员及天津市药监局专家等学术职务。