微创条件下无旋转缝合机理及器械设计方法研究

The intrinsic constraint of the minimally invasive surgery (MIS) has limited the degrees of freedom (DOF) of surgical instruments. This makes the typical operation, i.e. the suturing difficult to be fulfilled under the minimal-invasive condition and leads to the result that the cost of robot-assisted MIS is high while the advantage of robot-assisted MIS can only be seen in the complex surgeries. ..To overcome the above problems, in this proposal, a new method is for the first time proposed aiming to make the suturing under minimal-invasive condition easier. The interactions of the main components involved in the suturing, such as the instruments, tissue, needle, seam, are considered as the motions of a special mechanism and the relation between the changes of the kinematic pairs/the transmission system and the trajectory of the end-effector is investigated. Aims for developing novel suturing methods, the analysis and synthesis of the motions of traditional suturing are carried out, and knot theory is adopted to check the energy states of the seam. Based on this, a new suturing method which can be realized only by the Open-Closed operation of the instrument is presented. In order to realize this novel technique, the features of the special instrument, such as the motion requirements, the transmission layout, the energy distribution, and the constraints of medical environment, are thoroughly analyzed. Simulations and experiments are to be carried out to verify the effectiveness of the proposed suturing method. ..The results of this study will greatly reduce the difficulty of the suturing under minimal-invasive condition. As a result, the application scope of MIS is also expected to be expanded because this research will make the most difficult operation in MIS easier.

微创手术约束条件限制了器械的自由度，使对灵活性要求较高的缝合操作变得极为困难，而机器人辅助手术存在成本高昂、仅在复杂手术中体现优势的缺点。本项目将缝合过程的器械-缝合针-缝合线-组织的动作引申为一种特殊的机构运动形式,并研究末端运动轨迹与该机构运动副形式、传动方式之间的关系。在此基础上，以探索新型缝合方法为目标，以运动抽象与机构综合方法为主要工具，以建立缝合针运动规律与缝合线能量状态之间关系为手段，研究一种伴随手术器械的每次开合，缝合针交替固定于器械相对颚的无旋转缝合方法的实现机理。通过分析缝合过程的动作特征，综合出专用手术器械的构型谱，通过对传动系统布局和特性进行分析，结合能量最小策略和纽结理论，提出满足医学条件的缝合器械优化设计方法，并利用仿真与实验手段验证所提出缝合方法的可行性与有效性。本项目研究成果对实现在保证缝合效果前提下，优化缝合路径，简化缝合操作，拓展微创技术的应用范围。

作为医学科学对人类文明的重要贡献之一，手术的微创化已成为外科技术的主旋律。然而，由于微创技术对医生的技巧性要求很高，限制了其应用范围。本项目降低微创技术难度为目标，以器械改进为途径，以综合新型缝合路径为手段，在满足微创手术约束条件的机构设计、多自由度微创器械改进及基于器械的开合运动实现缝合动作的新型缝合器械设计方面取得多项创新性成果，具体如下：.在充分分析了克服微创手术约束条件的机构学需求基础上，挖掘出若干可满足该约束条件的机构设计规律，提出了一种基于虚拟平行四边形原理的平面二自由度广义双平行四边形设计方法，增强了器械操纵支架的反向驱动能力；同时，针对目前鲜有空间机构能够满足微创约束条件的现状，提出了一种基于相交平面的机构综合方法，并发现了若干新型的运动分叉机构和空间过约束机构。在此基础上，进一步面向机器人辅助手术的要求，提出了一种末端具备自旋运动的手术器械，并对其运动特征与操作力等指标进行了分析与测试，该设计克服了现有技术需要高精度多轴联动的要求，大大降低了系统复杂程度，并开展了实验测试；再进一步，面向常规微创技术的需求，将缝合过程缝合针绕其中心旋转的路径调整为绕器械两颚的旋转运动，进而将复杂的缝合运动简化为器械的开合运动，大大降低了手术操作的难度。.最后，通过设计物理样机，对所提出的满足微创约束条件的机构设计方法进行了验证；利用自主搭建的力学测试系统，对末端具备自旋运动的手术器械的操作力等指标进行了测试，利用动物实验验证了该类器械的灵活性及有效性；针对所提出的新型缝合方法，设计了一种硬质仅具有开合运动的无旋转缝合工具物理样机及一种末端具有两个偏转运动的无旋转缝合工具详细设计方案，各项性能测试与专用缝合针的设计工作正在开展。.项目进行过程中，在微创手术器械设计原理方面获得了2013年度天津市技术发明一等奖（项目负责人为第二获奖人），项目负责人的博士论文被评为2014年天津市优秀博士论文，并于同一年度入选天津市131创新型人才第三层次人选及高等教育出版社《机器人科学与技术》丛书编委会委员；2015年，项目负责人作为第二获奖人申报的天津市专利金奖已处于公示阶段；项目执行期间，发表含在线发表国际期刊论文4篇（全部SCI检索），国际学术会议论文2篇（EI检索），申请国家发明专利2项。