基于眼组织创伤机理的显微手术器械的设计与微振动操作研究

Intraocular microsurgery is one of the most technically demanding surgeries. During the operation, the instrument needs to be inserted and kept inside of the eyeball. Due to the limited perception and operational dexterity of the surgeon, the outcome of the surgical procedures, e.g., cataract capsulorhexis and epiretinal membrane peeling, might be attenuated. To solve the aforementioned problems, this study will explore the mechanical properties of the eye tissue in the surgical procedures of cataract capsulorhexis and epiretinal membrane peeling, which sits at the intersection of the bio-mechanism, micro-servo, compliant mechanism, and micro-force sensing and control. The study provides the theoretical basis for the intraocular microsurgery instrument designing. The three key technologies of this paper are the mechanism of trauma from the operational instrument and the membrane tissue, the coupling control for the micro vibration and the macro motion of the instrument, and the design of the micro force sensing system. The outcome of the study might be applied to the research and development of the ophthalmic microsurgical instrument.

眼科显微手术是一项操作难度较高的手术，需要将手术器械插入眼内进行操作。医生有限的感知能力，手部颤动等不足，都会对手术质量诸如白内障撕囊、黄斑前膜剥离等操作造成影响。为解决以上问题，本项目从生物力学、微驱动技术、柔性机构、微力传感与控制等方面出发探索利用显微手术器械进行眼组织撕囊、剥膜等操作的组织创伤力学机理，并以此为理论基础研发具备微振动操作和微力感知功能的眼科显微手术器械，探索基于力反馈的微振动控制及器械位置补偿控制方法。问题的解决有赖于三个关键技术：显微手术器械与囊、膜组织作用的创伤机理，器械末端的微振动与器械宏运动的耦合，微力感知系统的设计。课题尝试从眼科显微手术器械机构设计、微力感知技术、生物力学和微/宏耦合运动控制方法等方面创新。课题理论成果直接应用于眼科显微器械的研发。

医生有限的感知能力，手部颤动等不足，会对眼内手术质量诸如：白内障撕囊、黄斑前膜剥离等操作造成影响。为解决此问题，本课题探索了利用显微手术器械进行眼组织撕囊、剥膜等操作的组织创伤力学机理，并以此为理论基础开发了具备微振动操作和微力感知功能的眼科显微手术器械，探索了基于力反馈的微振动控制及器械位置补偿控制方法。.首先，通过力学性能测试，构建晶状体囊膜及视网膜的组织特性(超弹性、粘弹性)参数，构建相关的物理/机械力学模型；探究不同的创伤方式(拉伸、剪切)对囊膜、视网膜造成的创伤程度，建立创伤准则。基于此，构建在撕囊、剥膜手术操作中器械与组织之间的力学作用模型，研究不同振动频率、振幅等操作方式下组织的创伤行为。探寻到最小创伤下器械作用的最优参数，为机器人微力控制提供理论基础。.接着，探索显微手术器械结构、驱动的集成化设计，对显微器械的自动夹持、末端位姿的微调等内容进行研究。同时，基于压电陶瓷的柔性机构设计理论，并结合撕囊、剥膜得创伤机理、空间尺度和稳定性要求，进行微振动结构的创新设计。为实现撕囊过程中器械与组织间作用力的实时感知，采用拉格光纤光栅传感器和光纤解调仪等精密设备、仪器，研发器械嵌入式的微力传感器，进而研究显微手术器械的二维感知机理和设计方法。.然后，为实现显微器械的灵巧操作和稳定运动，探索器械末端微振动以及机器人的位置补偿(宏运动)控制方法。设计器械末端的最优微振动控制参数；探索机器人末端器械的位置补偿方法，设计实现基于力反馈的微创伤操作导纳控制算法，实现用器械末端接触力信息对器械末端的位置进行控制。.最后，搭建撕囊、剥膜操作手术机器人样机及相关控制系统，并进行撕囊、剥膜操作的离体、在体动物实验，对显微手术器械的微力感知、振动撕囊、剥膜效果、器械灵巧性、位置补偿控制等方面进行验证和评估，在此基础上对手术流程进行优化。