力反馈与光学导航交互控制颅颌面外科手术辅助七自由度机器人的关键技术及算法研究

Because of the complex anatomy and special therapeutic purposes for cranio-maxillofacial surgery, it is necessary to achieve the exact location as minimally invasive as possible. Traditional methods could not satisfy the sugical accuracy and stability, limitting the developement of surgery and increasing complications. In this regard, our research team have been focusing our research on the filed of computer-assisting surgery for nearly 10 years and some positive achievements have been completed: 1) a self-developed high-precision optical navigational system for assisting craniofacial surgery has been established and improveing surgical precision greatly; 2)our team has achieved the development of controlling algorithms and prototype production of navigation-guided 7-DOF robotic system, and completed serious of experiments to confirmed its superiority in improving the accuracy of surgical execution precision and stability. However, the most important issue is to achieve interactive collaboration between the surgical robot and surgeon, in that the surgical robot could assist the surgery in clinics. Based on this issue and our research, we apply for this new project intends to study on a new control mode integrating navigation system with force sensor. The key technologies and algorithms of this interactive dual-mode control method need to be in-depth study, and the experimental and clinical surgery will be done to debug the initial prototype and optimize the structure and control parameters. We aim to develop a completely self-dependent intellectual craniofacial surgical robotics and achieve clinical application, in order to facilitate craniofacial surgery to be more minimally invasive and accurate.

颅颌面肿瘤及整复外科由于解剖结构复杂性和治疗目的特殊性，必须以最小创伤完成精确的术中定位操作。传统技术方法在手术执行精度和稳定性等方面已经无法满足治疗需求及专业发展，并且增加了并发症的产生。对此，本课题小组通过近10年在计算机辅助外科领域的前期研究：1）建立了具有自主知识产权，高精度光学导航辅助颅颌面整复硬软件系统，临床上提高了手术定位精度；2）初步研究了基于导航的七自由度机器人的通讯算法及本体硬件结构基本原理，并通过实验手术揭示了其在辅助手术执行精度和稳定性上的可行性，但如何实现手术机器人与外科医师的相互配合及协调控制是临床应用得以实现的最关键的难点问题。本项目拟对力反馈与光学导航交互双控模式技术和通讯算法做深入研究，调整机器人本体结构，并通过实验手术调试和优化运动控制参数，旨在开发具有自主知识产权的颅颌面外科手术智能机器人实验样机，以期能应用于临床实践，促进颅颌面外科更趋于微创和精确。

颅颌面部由于解剖结构复杂性，手术难度及风险高，肿瘤或畸形患者对术后形态和功能要求高，给外科医生带来很大的挑战，这要求外科手术必须以最小创伤完成精确的术中定位操作。传统技术方法在手术执行精度和稳定性等方面已经无法满足治疗需求及专业发展，并且增加了并发症的产生。. 针对上述难题，本项目完成了以下工作：.1、对七自由度机械臂整合了光学导航系统和力反馈传感系统，建立了颅颌面外科智能机器人实验样机。.2、建立了基于光学导航系的机器人主动控制模式，在该模式下，机器人能够自动地接收来自导航系统的规划指令，手术过程实时可见。通过标定算法精度测试实验，证明了光学导航系统的实际误差在0-0.25mm，平均0.1mm；光学导航系统在不同位点测量下，机械臂系统的重复执行精度在0-0.6mm， 平均误差约0.23mm；光学导航系统在固定位点测量下，机械臂系统的重复执行精度在0-0.8mm，平均0.34mm。头颅模型上均完成规划的Lefort I型截骨操作的试运行，截骨操作过程在导航界面实时可见。.3、建立了基于力反馈系统的机器人被动控制模式，在该模式下，机器人能够接受并执行外科医生通过操纵杆传来的控制指令。在力切割实验中，手动切割组采集了245个时间点的切向阻力数据，力反馈控制切割组采集了1202个时间点的切向阻力数据，独立样本t检验的结果是P>0.05，说明两组数据间不存在统计学差异。验证了颅颌面外科智能机器人力反馈控制模式的可行性和有效性，初步说明了力传感器采集的力学数据可以通过力反馈器给外科医生提供与手动切割时相仿的临场操作感。.4、在协调控制模式下，光学导航控制模式和力反馈控制模式能够顺利完成切换，能够完成上颌骨Lefort I型截骨的手术路径。. 本项目提交的力反馈与光学导航交互控制的颅颌面外科手术机器人原理样机，经过硬软件系统的完善和控制算法的优化，具有精确性和安全性等特性，对于神经外科、口腔颌面外科、耳鼻喉科等高难度复杂手术，可以提高手术精度，降低手术风险，并且降低外科医生的工作强度，具有很大的临床应用意义。