微创手术机器人末端执行器械关键技术研究

发布时间：2020-06-18 18:26

【摘要】：相比于传统开腹式手术,微创手术具有切口小、出血少、恢复快等明显优势。随着科学技术的不断发展,机器人技术与微创手术相结合而发展起来的机器人辅助微创手术,将医生从手术台上解放出来,甚至可以实施远程手术治疗。机器人手术系统一般包括主-从控制系统、成像系统和机械臂系统。末端执行器械是机械臂系统中的核心部分之一,通常,医生习惯于把末端执行器械简称为手术器械。作为手术的执行机构,其用来完成对脏器组织的切割、夹持、缝合、提拉和游离等手术操作,手术器械的性能直接影响着手术的质量,是机器人手术系统中最重要的部分之一。本文根据机器人辅助微创手术的特点,开发出了多种手术器械。首先,针对已经进入临床应用的多孔模式下的机器人辅助微创手术,分析了手术器械腕关节的耦合现象,设计了一种新型机械式解耦机构,并将其应用于所研制的具有腕关节运动的四自由度无耦合快换式手术器械中。通过一系列实验,验证了所设计的手术器械的功能性和优良的解耦效果。其次,在刚性手术器械的基础上,采用多关节串联的方法设计了一种蛇形手术器械。该手术器械具有一段较长的柔性部分,可依靠自身的弯曲、旋转运动实现手术器械在患者体内的位姿调整,省去了机械臂上的远心机构和若干调整关节,大大节省了手术台的空间,也从根本上避免了多个机械臂之间发生碰撞干涉的安全隐患。利用离散型求解的方法,求取了蛇形手术器械的正逆运动学方程,并验证了该方程的准确性。通过一系列实验,验证了所设计的手术器械的各项性能。在刚性手术器械和蛇形手术器械的基础上,创新性的将柔性多关节结构与关节展开式结构相结合,设计出应用于单孔微创手术的手术器械。手术器械管的直径只有28mm,可在患者体内展开变形出两个柔性手术器械和一个内窥镜,并借助手术器械展开关节的旋转和直线运动,以及手术器械灵活的柔性关节运动,实现较大工作空间的手术操作。此外,所设计的单孔微创手术器械可以应用于部分NOTES手术。最后,针对多孔模式下机器人术前设置所需时间较长的问题,提出了一种术前机器人臂形设置及切口选取的优化算法,并以胆囊切除术为例进行了最优手术切口设置分析。使用项目组自主研发的机器人作为手术器械的搭载平台,将本文设计的刚性手术剪和柔性手术钳安装在手术车上,进行了手术器械功能验证实验。选择鸡心脏和猪肝脏进行离体动物器官的手术实验,使用机械臂系统顺利完成了手术实验,验证了手术器械的有效性和可靠性。通过医用手术器械仿真练习工具,对所开发的单孔微创手术器械进行了小球套取、蛇形穿孔和缝合操作的实验,证明了该单孔微创手术器械的可行性。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242
【图文】：

机器人手

美国 ISS 公司推出了 NeuroMate 机器人系统[5]，应用于神经外。1991 年，美国 ISS 公司推出了 RoboDoc 手术机器人[6]，这是世界上第科手术机器人。同年，医生使用 RoboDoc 机器人完成了第一例全髋关节术试验。医疗机器人作为一个热门研究领域，吸引了全世界众多的研究者术的更新换代也越来越快。经过上世纪 80 年代到 90 年代初期的尝试和创 90 年代中期开始，陆续出现了一些商业化的手术机器人产品，这些先进机器人也从实验室走进了手术室。 1994 年，美国 Computer Motion 公司推出了 Aesop 机器人手术系统[7]，所示。Aesop 手术系统仿照人类手臂的结构，配有 7 自由度的机械臂，术中辅助医生完成夹持、提拉或者握持内窥镜等操作，并加入了语音识别模用声音控制机械臂。Aesop 机器人获得了美国食品药品监督管理局（FDA营认证，成为第一款可以进行临床推广的微创手术机器人。

机器人手

吉林大学博士学位论文镜臂和两个持械臂，如图 1.2 所示。系统采用主从式操作方式，并加入了能，可以将医生手部微弱的颤动过滤掉。2001 年 9 月 7 日，一位女性患法国斯特拉斯堡的一家医院里，医疗小组则在美国纽约，医生通过 Zeus 成了胆囊切除术，实现了世界首例远程手术操作[10]。

【参考文献】