眼科微创手术机器人的精确感知与精准操控问题研究

The wide application of minimally invasive ophthalmologic surgery is limited by some theoretical and engineering problems, e.g., low precision of surgeon manipulation, high requirement of surgeon’s skills, undetected micro interactional force, no real-time acquisition of 3D images, which are all urgent for us to find solution. This proposal mainly focuses on how to model the interaction between micro surgical tools and eye tissues, how to navigate in eye surgery, how to achieve enhanced human-robot interaction and how to learn manipulation skills of expert surgeon and evaluation the surgery. This proposal aims to find out a way to model dynamic interaction of micro surgical tools, measure the micro force/torque between surgical tool and eye tissue and feed it back to remote surgeon, register and fuse preoperative OCT images with intraoperative microscopic images, and acquire and classify manipulation skills of expert surgeon. The proposal is discussed around two main topics, accurate perception and precise operation of ophthalmic robot. An eye robot will be developed to verify the effectiveness of this research by in-vivo animal trials, then evaluation parameters of this kind of surgical robot will be established. The achievements of this research will promote the development and application of surgical robots in ophthalmic surgery.

本项目针对制约眼科微创手术发展的医生操作精度低、对医生操作技能要求高、微小操作力难以察觉、界面下的深度图像难以实时获取等问题，深入开展面向眼科微创手术机器人的显微器械-眼组织的复杂相互作用，多模信息融合配准的手术导航、基于人-机共享控制的增强人机交互、高级医生操作技能的学习机理和机器人手术评估等基础研究工作。拟重点解决显微器械-眼组织相互作用的力学系统建模、显微器械远端的微力实时测量-反馈、术前OCT与术中界面影像的融合配准、高级医生操作技能的特征建模等基础科学问题。项目研究紧密围绕眼科微创手术机器人的精确感知和精准操控的研究主线，构建集成验证系统与临床应用环境，开展在体动物试验研究，建立眼科微创手术机器人的评估方法，为后续应用系统的研发提供技术验证平台。项目研究成果将为眼科手术机器人的发展提供理论基础和关键技术，切实提高眼科微创手术的治疗水平。

眼是人类认识世界的重要器官，人类获得的外部信息中约有80%~90%来自于视觉。然而，我国是世界上致盲和视力损伤最严重的国家之一。眼科手术是毫米级或亚毫米级的精细操作，对手术器械和手术设备提出了极高要求。机器人技术给眼科手术带来了重要变革，能够克服医生精细操作时的手部颤抖，提高操控精度；通过微力传感技术，使得人手操作而无法直接感触到的力实时反馈，提高手术安全性；具有更好的操作一致性，降低操作难度，缩短学习曲线。因此，本项目从眼科微创手术临床需求出发，以眼科微创手术机器人的精确感知和精准操控技术为研究主线，深入开展眼科微创手术机器人的显微器械-眼组织的相互作用规律、显微器械的微力传感和反馈、多模态信息融合、人-机共享控制、手术评估的基础理论和方法研究，建立将组织生物力学、影像学、机器人运动学和动力学统一起来的眼科微创手术机器人操作框架和模型，研制面向眼前节和后节疾病的眼科微创手术机器人，突破需要高精度操控的视网膜静脉血管插管手术的操作难点，开展活体动物试验研究，为实际临床研究与应用奠定基础。.经过本项目的研究与执行，在眼科手术的精准感知、智能控制、机器人研究与开发、实验研究方面取得了一系列成果。针对手术场景术中高实时性高精度追踪问题，提出了一系列深度学习方法，解决了显微影像中尺度变化、光照不均、遮挡、软组织变形、推理实时性等问题；开发了软硬件并行加速的显微影像立体呈现模块，实现了高时空分辨率的手术立体智能引导；提出了机器人辅助操作的机构-感知-控制一体化微型器械设计方法，实现了手术器械与软组织交互力的高灵敏性实时感知；提出了人在环中的人机混合智能控制方法，实现了对手术操作任务的多层次辅助与协同，提高了手术机器人末端操作稳定度；开展了系统集成与活体动物实验研究，验证了所提出方法和研制系统的可行性、有效性，为后续临床试验与对比研究提供技术平台。