鼻内镜手术辅助机器人主动跟随运动规划与安全控制方法研究

During endoscopic sinus surgery, endoscope is held by surgery in traditional way or held by a passive robotics system, and endoscopic pose adjustment mainly relys on surgery's experience, so it is troublesome to achieve the best fit between endoscope operation and instruments operation. Existing endoscope control methods is likely to affect surgical operation, and operational continuous stability needs to be improved,moreover,systematic control strategies is lacking to ensure safety of surgery,therefore,it is urgent to carry out safety control research on robot assisted endoscopic sinus surgery. In this project, with instruments operated by surgery and endoscope operated by a robotics system, the active-following control mode for endoscope following instrument is established. The research target mainly focuses on the coordinated planning between endoscope and instruments and system safety control during surgery, and relevant research is conducted from basic theoretical models, key technologies and experimental validation.A dynamic constraint model of endoscopic motion,which can adapt to deformation movement of nasal soft tissue,is proposed; based on interaction model between endoscope and instruments, the coordinated planning mechanism is established for the active-following motion, afterwards, safety control strategy of robotics system during surgery is investigated, and the control-force model is also established; finally, experimental platform is setted up and relevant experiments will be performed for system verification.This research project provides an important theoretical support for the clinical application of such robots and has important scientific significance and research value.

鼻内镜手术中，传统医生持镜和机器人被动持镜，鼻内镜术中位姿的调整只能依赖医生的经验，难以实现鼻内镜与操作器械的最佳配合，现有的鼻内镜控制方式易影响手术操作，持续稳定性有待提高，且缺乏系统的安全控制策略来保证手术安全，因此亟需开展鼻内镜手术辅助机器人的安全控制研究。本项目针对鼻内镜手术辅助机器人，采用医生操作器械，机器人夹持鼻内镜，鼻内镜主动跟随器械运动的随动控制方式，并以鼻内镜与操作器械术中协调规划与安全控制为研究目标，从基础理论模型、关键技术和实验验证开展相关研究。提出能够适应鼻腔软组织变形的鼻内镜运动的动态约束模型；研究鼻内镜与操作器械的交互模型，建立鼻内镜跟随器械运动的协调规划机制；研究术中人机协同的机器人安全控制策略，建立控制力模型；搭建随动式鼻内镜手术辅助机器人实验平台，进行实验验证。本项目的研究成果可为该类机器人的临床应用提供重要的理论支撑，具有重要的科学意义和研究价值。

鼻内镜手术中，医生采用左手持镜、右手操作的传统手术模式，限制了需要双手操作手术器械的复杂手术的开展。而通过助手持镜，就会存在两人三手的协调配合问题，通过被动式机械臂持镜，其术中位姿调整还要依赖医生的经验。因此引入机器人来把持鼻内镜，并可以主动跟随手术器械运动，以最佳的配合距离和角度，辅助完成手术，可以完成以往无法完成的手术术式，缩短手术时间，减少并发症发生。然而目前这种随动控制方式存在缺少适应鼻腔变形的动态约束模型、鼻内镜主动跟随器械运动的协调规划机制及术中人机协同的机器人安全控制策略等关键科学问题。. 在本项目中，首先，基于Marching Cube算法对鼻腔CT图像进行重建，选用Canny边缘检测算法获取鼻腔内表面点云，最终建立了鼻腔组织的实体模型；基于Mooney-Rivlin模型和实验相融合的方法获得了较为可信的鼻腔软组织变形参数，基于双曲面方法建立了鼻内镜运动的动态虚拟夹具约束模型。其次，通过在操作器械和机器人上安装NDI定位跟踪靶点，基于虚拟弹簧模型建立了内窥镜末段和手术器械间的位置和姿态函数关系和动态规划模型，实现了机器人夹持内窥镜主动跟随操作器械。再次，基于实验设计方法建立鼻内镜与鼻腔组织接触的控制力模型；根据手术过程中机器人在不同区域的运动精度、灵活性要求的差异性，建立了在手术区域使用导纳控制，在非手术区域使用基于力矩伺服的协作控制模式的分区域控制模型；基于动态约束模型、跟随运动规划模型和控制力模型，建立“医生监控—安全规划—运动控制”的医生主导的多层术中人机协同安全控制。最后，搭建了机器人实验平台，通过实验验证了跟随算法和约束模型的有效性，跟随平均精度小于2.5mm。. 本项目通过项目的开展，攻克了三个关键科学问题，建立了相关的理论模型，并通过实验验证了理论的可行性和有效性，相关研究为随动式鼻内镜手术机器人的走向临床奠定了一定的理论基础。