安全性驱动的微创手术机器人互作用机理与系统评估方法

To ensure the safety of robot-assisted minimally invasive surgery (MIS), the research would be developed on the basis of our own MIS robot platform in reducing faulty in operation, improving control ability of surgeons, evaluating the safety. It includes the mater-slave mapping principle for novel MIS robot with separate adjustment in position and orientation, the algorithm of intuitive mapping principle and operation mode optimization based on the isomorphism in position and orientation, the optimum balance strategy to reduce the react influence from mechanism on operator aided by the evaluation index of achieving-precision to the aim and path smooth, the interactive model of tool and tissue in visual environment for the affect law between physiological movement and insertion location, and the precision controlling algorithm of interaction between tool and tissue based on the path reflection error between the master arm and the tool tip and further inner connection between error and operation force on tissue obtained by the motion-match model between the master arm and the tool tip. With all results above, the balance-reflection relationship with multi parameters in reliability would be constructed, the safety evaluation system in proper dimension would be built up to meet the clinical requirements, to improve the safety in the robot-assisted MIS by diverse levels and in distinct respects. The animal experiments would be carried out and the clinical application would be in attempt.

本项目以保证机器人辅助微创手术的安全性为目标，在已有微创手术机器人平台基础上，围绕降低误操作、增强医生的操控性、安全性评估等方面的问题，研究新型位姿分离的手术机器人端端映射原理，建立基于姿态同构的直觉运动映射算法，并优化其操作模式；以操作者到达目标点的精度及轨迹平滑性为评价指标，从减少主手动质量角度出发，探索最优平衡策略，降低主手机械系统对操作者的反向作用；进一步建立图像下器械与组织的交互模型，获取生理运动对切入点位置的影响规律；同时构建主手运动与器械末端运动的匹配模型，实时提取两者误差，并探究此信息与对组织操作力之间的内在联系；结合上述两个方面的内容，优化器械与组织交互作用的精度控制算法；在上述研究基础上，构建各可靠性参数的均衡映射关系，建立维数适宜且符合医学需求的安全性评价体系，从多层次多角度提升机器人辅助手术安全性，最终完成动物实验，并力争开展临床试用。

随着微创手术手术机器人系统装机量上升及微创外科手术普及，机器人辅助手术安全性问题日益突出。本项目以保证机器人辅助微创手术的安全性为目标，在已有微创手术机器人平台基础上，围绕降低误操作、增强医生的操控性、安全性评估等方面的问题，研究新型位姿分离的手术机器人端端映射原理，建立基于姿态同构的直觉运动映射算法并优化其操作模式；从减少主手动质量角度出发，探索最优平衡策略；进一步建立图像下器械与组织的交互模型，获取生理运动对切入点位置的影响规律；同时构建主手运动与器械末端运动的匹配模型，实时提取两者误差，并探究此信息与对组织操作力之间的内在联系；构建各可靠性参数的均衡映射关系，建立维数适宜且符合医学需求的安全性评价体系，从多层次多角度提升机器人辅助手术安全性，最终完成动物实验，并开展临床试用。. 项目执行期间，发表SCI/EI检索文章10篇，申请发明专利9项（已授权6项），培养硕士研究生6名，博士研究生4名。微创手术机器人“妙手”系统获得中国专利优秀奖，天津市专利金奖，天津市技术发明奖特等奖，中国优秀工业设计金奖，山东首届“省长杯”工业设计大赛金奖等奖项。项目负责人参加国际学术会议并做特邀报告5次，成果参加大型展览2次。成果已应用于国际标准《Medical electrical equipment employing robotic technology terminology and classification》、国家行业标准《采用机器人技术的医用电气设备 分类》、《采用机器人技术的辅助手术设备和辅助手术系统》的制订。. 目前，安全性检测多为在静态或稳态条件下的系统动力学行为，后续将微创手术机器人安全性的时变特征，继续深入开展手术机器人的动态安全性研究。