基于多刺入点约束的眼内显微手术辅助操作器设计及运动规划

眼内显微手术是一项需要多个器械刺入眼内并协调操作来实现的高难度手术。但由于医生的操作能力限制和生理颤抖，难以完成诸如视网膜血管搭桥这样精细、灵巧的动作，眼内手术的成功率极低。为解决上述问题，本项目从操作器灵巧机构运动学、微驱动技术、生物力学、计算机辅助规划等出发探索利用眼内显微手术辅助操作器进行血管搭桥手术的工作机理，试图为器官软组织约束下的机器人操作器的设计提供理论基础。问题的解决有赖于三个关键技术：宏运动与精密运动的迭加、紧凑型多功能操作器的集成、刚性器械与器官软组织之间的约束和依存。课题计划从机器人新型机构与微驱动技术相结合、器官刺入点约束与眼内器械灵巧运动的协调以及多操作器约束运动规划等方面寻找突破途径，尝试在机构设计、弹/柔性生物力学、空间约束下的多操作器的运动规划和控制策略等方面的创新。课题理论成果应直接应用于眼内显微手术辅助机器人操作器的研发。

目前医生实施眼内手术的精度很大程度上受到人手生理颤抖的限制。针对这个问题，在国家自然科学基金（51175013）支持下，我们与温州医学院附属眼视光医院（浙江省眼科医院）合作，以视网膜血管搭桥手术为载体，展开基于多刺入点约束的眼内手术机器人系统设计及相关研究。项目的具体内容包括：基于新型远程运动中心（RCM）机构的多操作器机器人设计；操作器辅助机器人约束运动规划和控制；眼内手术机器人的主动柔顺控制研究；器械与软组织的作用机理研究；机器人稳定性研究等。基于以上研究基础，以猪眼球、兔子眼球为对象进行了视网膜显微手术机器人的活体动物手术实验研究，包括玻切实验、光凝术实验、眼内异物摘除实验、视网膜血管搭桥模拟实验及力反馈控制下器械导入套管实验，获取了丰富的技术资料。实验结果验证了文中相关理论研究、模型、算法，表明了机器人辅助实施视网膜显微手术的可行性。本项目形成了显微外科机器人技术的理论体系，对于进一步推广临床应用奠定了良好的基础。