微创手术机器人虚拟安全屏障在线建模及控制

：微创外科手术以创伤小、并发症少和操作方便等优点而成为医患双方欢迎的主流技术。然而从狭小的工作通道获得的触觉和视觉信息有失真，这种对环境感知的模糊性，给掌握该技术带来困难，且存在误伤重要器官的隐患。不少学者对此进行了研究，把遥操作技术引入微创手术，使其性能得到改善。但因受传感技术的制约，对术野环境感知还不够理想。现有的视觉导航和传感技术，只对获得的术野信息有所改善，安全性还依赖于术者的操作水平。本项目旨在解决建立人体重要器官虚拟安全屏障中的几个科学问题，重点研究二维视觉的有限信息与遥操作非视觉信息的互补式融合模型，直接从单目视觉和遥操作系统得到人体重要器官敏感部位特征点的三维位置信息；提出预警区域（EWR）虚拟安全屏障（FRVF）快速动态建模新方法。依据现有微创手术遥操作机器人实验平台，构建虚拟环境，探索镜头动作对视觉的摄动机制和对敏感特征点信噪比的影响规律，验证上述算法的有效性。

微创外科手术（minimally invasive surgery,MIS），以创伤小、并发症少、恢复快、无明显疤痕和手术操作方便等优点而成为医患双方均十分欢迎的主流技术。然而由于感知通道出现阻塞而引起的对环境感知的模糊性，不仅使这项技术的掌握比较困难，而且难以避免误伤人体重要器官的隐患，其安全性成为医患双方心理上难以挥去的阴影。本项目根据目前微创手术存在的安全性问题，重点研究二维视觉的有限信息与遥操作非视觉信息的互补式融合模型，直接从单目视觉和遥操作系统得到人体重要器官敏感部位特征点的三维位置信息；提出预警区域（EWR）虚拟安全屏障（FRVF）快速动态建模新方法；这种方法主要依据遥操作手术机器人系统的基本条件和其中隐含的数据源，不依赖于MR/CT 等特殊设备，可以在线计算，获得动态数据。在线快速构建待保护人体重要器官预警区域（early-warning region EWR）FRVF动态模型，从而通过对微创手术操作的主动导航，实现微创手术操作过程的本质安全。.本课题在对敏感特征点位置信息的动态采集与重构方法研究的基础上，重点研究视觉信息和遥操作非视觉信息的互补式融合方法和基于EWR 的多自由度虚拟安全屏障动态建模算法，并在一个小型遥操作微创手术机器人系统上进行了仿真验证。.FRVF 技术在解决MIS 安全性问题上，具有非常诱人的应用前景。加强对FRVF 技术的理论研究，不仅对MIS 本身有重要作用，而且可以丰富遥操作技术的理论基础，对航天领域、核电工业、深海探测、国防建设等诸多领域有较强的理论指导作用和深远影响。