基于生物力学的机器人辅助微创手术力反馈技术研究

Robotic-assisted  minimally invasive surgery (RMIS) has brought a prominent change in modern surgical area. However, as the present RMIS lacks the force feedback of the surgical operation, surgeon accomplishes surgery task relying on the laparoscopic image feedback but without any dynamic information, which make it hard for performing the procedure. Lacking of force feedback has limited the RMIS application. To achieve the RMIS force feedback, the project presents a new way from the aspect of biomechanics. The details are as follows: according to the surgery requirements, biomechanical experiments are carried out to test the tissue properties, and the tissue mechanical models are established based on the experimental data; with the 3D digital reconstruction of surgery image and tissue ultrasonic elastograhpy, the tissue spatial location is described and calibrated in the robot workspace, combined with the position feedback of robot surgical operation tissue property is identified, and then the surgical interaction force can be calculation with the established mechanical model; the master-slave force mapping is built based on the analysis of the master-slave mechanical configuration, with which the surgical interaction force is mapped on the master and finally the force feedback is achieved. The study presents a new way to achieve the RMIS force feedback. The project has a great significance for promoting the application of surgical robot and the development of mechanical and biomedical interdisciplinary.

机器人辅助微创手术极大地提高了手术操作精度和手术质量。然而，由于目前机器人辅助微创手术不具备手术操作的力反馈，医生无法掌握手术交互的动态信息，只能依靠视觉反馈进行手术，手术动作完成困难。缺乏手术操作的力反馈已成为阻碍机器人辅助微创手术发展的主要因素。本项目从生物力学的角度，探索实现机器人辅助微创手术力反馈的新方法。即根据手术要求开发机械测试平台和设计生物组织力学实验，建立不同生物组织的力学模型，利用组织弹性成像信息和手术影像的三维数字化重构提取手术区域各组织的空间位置特征，结合机器人手术交互的位置反馈进行生物组织机械特性识别，实时计算手术交互力，建立主-从力映射和时延协调，实现机器人辅助微创手术力反馈。该研究突破了传统的通过间接变量研究力反馈的方法，创新性地从生理力学的角度研究机器人与生物组织的手术交互力。该项目对推动手术机器人的应用和促进机械与生物医学交叉学科的发展具有重要意义。

目前，缺乏手术操作的力反馈已成为阻碍机器人辅助微创手术发展的主要因素，然而，由于受到手术器械外形尺寸、生物兼容性等制约以及操作环境的限制，商业力传感器以及基于电流检测、位置误差和外贴应变片等这些常规方法都无法很好地获得手术器械与脏器之间的手术交互力。本课题从生物力学的角度出发，研究生物组织的力学特性和机器人手术交互的运动信息以获取手术交互力。. 本课题自主开发了生物软组织力学测试平台，根据机器人辅助微创手术操作特点及在医生指导下，设计了软组织力学性能正交测试实验，测量了多因素（如手术操作速度、进刀姿态、组织纹理、手术器械型号、环境温度等）以及对应多水平下按压、提拉、切割、穿刺和缝合等操作下的手术交互力信息，根据大量实验采集数据建立了生物软组织在不同操作下的力学模型，并通过实验验证了所建立的力学模型与实际手术操作力具有较好的吻合度。. 为了解决在无法使用传感器的前提下获取手术器械与脏器运动交互的起始位姿，首先应用CT图像对手术部位进行了三维重构，综合应用阈值分割法、区域生长法和手动选择法来查找不同图像特点的组织形态学边缘，提高了组织的辨识度和三维重构精度；接着对三维重构后的手术部位特征点进行了数字化位置提取，并将手术特征点标定于机器人手术空间，建立了虚拟手术环境与机器人手术空间的对应关系；最后应用自主开发的机器人辅助微创手术用手术器械，根据手术部位的三维数字化位置信息及手术器械运动信息，获得了手术器械与脏器的实际交互运动的位姿信息，将手术交互位姿信息及其他手术操作参数带入已建立的力学模型得到了手术交互力。. 本课题从生物力学的角度探索实现机器人辅助微创手术力反馈的新方法。课题在生物软组织机械力学特性方面的研究对手术规划，虚拟手术仿真和医学诊断以及探索生物组织生理特性及病变特性具有较大应用价值；在内脏组织的三维重构及特征部位的数字化位置研究有助于虚拟手术的精细化操作仿真研究。