狭窄空间内机器人安全精准手术操作基础理论与关键技术研究

Robotically assisted minimally invasive surgery has been widely accepted because of its remarkable advantages including small incision, fast recovery and precise operation. However, traditional robotic technology cannot be completely adapted to the case of narrow cavities and channels, for instance, esophagus, ear-nose-throat, intestinal tract and bone cavity. Therefore, in this project we propose theories and methods for safe and precise operation for medical robot in narrow space, including: (1) study of structure mapping, maneuverability measurement and topology optimization for surgical robot operation in narrow space, and operability study for operation actuators. These studies will provide basis for medical robot design; (2) study of interoperation image navigation based on image augmentation and compensation for image blocked by surgical tools. Using dense surface three-dimension reconstruction and multi-camera image augmentation, we are able to enhance operation transparency; (3) study of multilayer autonomous safety mechanism for narrow space operation robot. Operation safety can be improved by applying soft tissue deformation model, sensor technology and image navigation. This project provides necessary theoretical and technological back-up for robotically assisted operation in narrow space, and hopefully it will notably enhance operation maneuverability, transparency and safety.

机器人微创介入手术以其创伤小、恢复快、操作精确的特点在多种病症的诊疗中取得了广泛的应用，然而面向食道、耳鼻喉、肠道、骨腔等狭窄人体腔道的手术操作，传统机器人技术无法完全适用。本项目以狭窄空间内机器人安全精准手术为目标，开展以下理论与技术研究：（1）探索狭窄空间内精准手术操作的构型映射规律、操作性度量与拓扑优化方法，分析狭窄空间内手术执行器的可控性机理，为手术机器人的设计提供理论依据；（2）建立可视化图像导航与手术器具遮盖区域的图像补偿理论，突破稠密表面三维重建和多视图图像增强方法，提高狭窄空间手术的透明性；（3）开展狭窄空间手术机器人多层自主安全性机理研究，建立基于软组织形变模型、术区透明性感知、图像导航的狭窄空间内全过程手术安全机制。本项目的研究成果将为狭窄空间内实现手术机器人精准操作奠定必要的理论与技术基础，有效提高手术的可控性、透明性和安全性。

项目严格按照计划的内容开展研究。在手术机器人透明性问题方面，研究了术前医学图像分割技术、术中医学图像（内窥镜图像）三维重建技术、手术器械的空间校准技术、手术空间可视化导航系统构建等。在手术安全性方面，进行了手术器械分割、手术进程自动分析研究，为手术机器人执行手术操作提供安全性提示。由于对图像补偿临床数据获取问题困难，因此未进行该部分研究。.在手术机器人机构和控制方面。针对狭窄空间手术的操作特点，在狭窄空间内手术执行器的一体化设计方法与可控性机理方面，研究了柔性连续体机构的运动传递、受载形变以及力传导特点及规律，建立了柔性结构曲率与输入端映射关系模型，提出了基于受载形变、运动传递与力传导综合模型的主从精确控制方法。面向狭窄空间内精准手术操作特点，研制了一种柔性手术执行器，搭建了一套面向狭窄空间内精准手术操作的主从式控制实验平台，形成了面向狭窄空间内精准手术操作的构型映射规律与操作性度量方法。.在手术机器人交互和末端执行机构方面，研究了经狭窄自然腔道的内多自由度机构的末端运动、承载任务等需求，设计手术机器人末端操作机构实现机器人末端任务特征与机器人机构构型的映射。研究经自然腔道的手术执行器设计，实现机器人外部运动到盆腔内子宫运动的有效传递，有效提高手术操作的可控性，减少病人创伤和医生操作难度。研究机器人与人体之间的安全保护方法，从机械机构设计到控制信号传递方面实现机器人对人体的保护，避免施加过大的作用力。研究医生与机器人的自然交互方式，探索利用眼球运动实现对机器人的操作，医生可以腾出双手和双脚去操作其他手术动作。