利用人体自然开口的机器人辅助无创手术内窥镜的设计制备研究

微创腹腔镜手术的开展和普及缩短了病人的康复时间、减小了病人的术后伤痛。随着医疗技术的进步，国外医疗专家进一步提出了利用人体自然开口（例如口腔、阴道、直肠等）进行无皮肤创口手术的概念，并在女性病人身上通过阴道开口取得了手术试验成功。但食道较之阴道更长、更窄、更复杂，通过食道的通用型无创手术受到了很大的限制，目前并无广泛成功的先例。较之微创腹腔镜手术技术，无创手术系统设计更复杂，需要控制的部件更多，更适合在机器人辅助下开展治疗。本项青年科学基金项目计划使用柔性连续体机构的设计和综合方法，重点研究能应用在机器人辅助无创手术系统中的通用型内窥镜，开展基于柔性连续体机构的设计综合、变形建模、控制导航和各类手术器材接口集成等关键技术的研究，为后续建立完整的机器人辅助无创手术系统平台、开展模拟和动物临床治疗打下基础。

经自然腔道的无创手术受到其器械制备的限制，无法在临床上广泛的验证其医学先进性所能带来的术后产出上的提升。本项目针对无创手术内窥镜这一无创手术系统的关键部件展开了设计研究、建模分析和原型制备。开发了一型无创手术末端执行器的特性参数验证平台，定量的确定了无创手术末端执行器在运动能力、操作灵活性和负载能力上的设计参数。在此基础上，明确了无创手术内窥镜在造型尺寸、导航介入运动能力、驱动变形特性和机电器械接口等方面的设计目标。提出了一种多杆柔性连续体机构的设计综合新方法，设计出了一型自由度配置高度冗余、外形尺寸紧凑、内部腔体配置全面、机电接口丰富、驱动系统模块化的无创手术内窥镜。建立了该连续体内窥镜机构驱动变形的正、逆和瞬时运动学模型，验证了其在人体自然腔道复杂环境内的介入导航运动能力。研究结果表明，连续体机构在构造自由度配置高度冗余、外形尺寸极端紧凑的无创手术机器人系统方面有着巨大的潜力；所设计的多杆柔性连续体新型内窥镜丰富了当前机构设计的范例，将不仅能应用于无创手术机器人系统，还将能应用于复杂深腔内多余物检测、非结构狭小环境内探视等其他工业场合。