鼻内镜手术辅助机器人机构设计与安全控制研究

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【标题】鼻内镜手术辅助机器人机构设计与安全控制研究

【作者】 何玉成 

【关键词】鼻内镜手术辅助机器人 机构设计 运动规划 运动约束 安全控制 

【出版日期】2019-01-01

【论文级别】博士

【导师】胡颖

【摘要】鼻内镜手术是治疗鼻腔鼻窦炎症、彻底清除鼻腔鼻窦病灶的有效方法。由于人体鼻腔鼻窦与眼眶及颅脑毗邻,解剖结构复杂且手术区域狭小,使得鼻内镜手术具有较高风险。传统的鼻内镜手术,一般是医生左手持鼻内镜、右手操作手术器械,实施手术。由于手术通道狭窄细长,鼻内镜到达受术区过程严重依赖医生经验;医生长时间徒手持镜易疲劳抖动,产生误操作;此外对于一些复杂手术,需要助手医生辅助持镜、主刀医生双手操作手术器械,医生间操作易干涉,协调配合难。引入机器人来辅助医生把持鼻内镜,充当医生的第三只手,可以将机器人的突出优点和医生经验结合起来,使得主刀医生变单手操作为双手操作,增强操作稳定性、提高手术质量和安全性。本文针对鼻内镜手术辅助机器人的机构设计与安全控制展开研究,提出随动式鼻内镜手术辅助机器人系统,并对机器人的机构构型、运动规划和约束、安全控制等关键科学问题开展研究,为鼻内镜手术辅助机器人早日临床积累了经验。本文通过分析典型鼻内镜手术流程、内窥镜的工作空间特点以及术中机器人摆位要求等,提出适用于鼻腔狭小空间的机器人构型方案。对于机器人末端执行机构,设计基于远端中心运动(RCM)机构的构型方案;并在此基础上,提出一种基于耦合运动的RCM机构构型综合方法,对RCM机构进行构型综合,得到了一类新型RCM机构。通过对典型机器人定位机构进行比较分析,确定了三自由度圆柱坐标(PRR)结构的定位臂构型方案。综合RCM机构及PRR定位机构,设计实现了适用于鼻腔狭小空间的鼻内镜手术辅助机器人系统。为了确保手术操作的安全性,必须对机器人的术中运动进行规划。首先,通过机器人参与手术过程中的鼻内镜末端运动轨迹分析,获得机器人各个运动控制阶段的运动规划需求。然后,基于病人术前CT医学影像序列,建立病人鼻腔鼻窦组织的空间模型和病人鼻腔鼻窦边界点云模型。在此基础上,基于获取的边界点云模型构建地图,通过引入A星搜索算法进行术中鼻内镜运动路径的搜索,得到鼻腔入口点到受术区的鼻内镜安全运动路径。最后,基于鼻腔三维重建模型构建虚拟鼻内镜系统,对规划的手术路径进行虚拟鼻内镜检查实验,验证了机器人运动规划的有效性。针对机器人辅助鼻内镜手术的安全性,采用虚拟夹具约束方法对机器人的运动约束开展研究。首先,通过分析现有虚拟夹具类型及其作用流程,结合鼻内镜手术中鼻内镜的运动特点,提出适用于鼻内镜手术的几种典型虚拟夹具,设计实现了基于空间多项式曲线的引导型虚拟夹具约束、基于双曲面的禁止型虚拟夹具约束以及基于鼻腔鼻窦解剖结构的禁止型虚拟夹具约束。然后,考虑到单一虚拟夹具难以满足手术中多样性的约束要求,基于虚拟夹具几何体单元构建复合虚拟夹具,得到基于鼻腔鼻窦解剖结构的虚拟夹具运动约束总体方案,实现鼻内镜手术的全过程约束。最后,分别在无约束、虚拟夹具约束下对设计实现的引导型虚拟夹具和禁止型虚拟夹具进行对比实验研究,验证了虚拟夹具的有效性。基于机器人辅助鼻内镜手术流程分析,提出机器人在手术中的三种控制模式及其运动控制方法。针对自由拖动模式,提出基于导纳控制的人机协作控制方法;针对约束拖动模式,提出虚拟夹具作用下的人机协作控制方法;针对自动跟随模式,提出导航引导下的鼻内镜跟随运动安全控制方法,实现了医生双手操作手术器械的同时,机器人末端鼻内镜自动跟随手术器械,为医生提供实时手术视野。最后,综合上述三种控制模式,提出术中人机协作安全控制总体框架,实现了手术过程的全程安全控制。基于机器人样机,集成控制系统软硬件、导航系统以及高仿真人体头部模型等,搭建鼻内镜手术辅助机器人实验平台。通过开展机器人辅助鼻内镜检查术实验以及机器人辅助上颌窦手术实验,对机器人的运动规划方法、虚拟约束作用效果、人机协作控制方法以及导航引导下的鼻内镜跟随运动安全控制方法进行验证。实验结果表明,本文的机器人系统可以辅助医生把持鼻内镜,充当医生的第三只手,使得医生变单手操作为双手操作,辅助医生完成手术。

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