纤维输尿管镜手术辅助机器人基础设计理论与方法

This subject is studied basic design theory and research method of Robot-assisted flexible ureteroscopy, combined with the current clinical needs of minimally invasive surgical techniques and robot-assisted minimally invasive surgical technology trends.Plans to solve the key problems including set up based on the point cloud algorithm needs clinical feature extraction method is designed to provide basic data. Different sports mode, life friction, there is an equal and opposite reaction on the adhesion effect rule, based on motion control achieve prevent organization set even strategy. Analysis of curvature point movement and support stiffness demand, combined with the existing fiber endoscope operation characteristics, and then use the passive combination of ideas, to establish a team with many curvature movement function robot executive device design method, for the development of this kind of robot assisted surgery equipment design and control the theoretical foundation and technical support. On the basis of theoretical analysis, the establishment of Robot-assisted flexible ureteroscopy experimental verification system, through the simulation, simulation and animal experiments to verify the theory and technology.In view of the validity and feasibility of the clinical needs, solve clinical problems, in order to form with independent intellectual property rights of the high-end medical equipment design theory system lay the foundation.

课题结合当前微创外科技术的临床需求和机器人辅助微创外科手术技术的发展趋势，对纤维输尿管镜辅助手术机器人的基础基础设计理论与方法进行研究，拟解决的关键问题包括建立基于"点云"算法的临床需求特征提取方法为设计提供基础数据；研究不同运动方式下，生机摩擦、作用力与反作用力等对粘附产生的影响规律，提出基于运动控制实现防止组织套连的策略；分析曲度点运动与支撑刚度需求，结合现有纤维内镜操作的特征，利用主被动相结合的思路，建立具有多曲度运动功能机器人执行装置设计方法，为开展此类机器人辅助手术设备的设计和控制奠定理论基础和技术支持。在理论研究的基础上，建立纤维输尿管镜辅助手术机器人实验验证系统，通过仿真、模拟和动物实验，验证各项理论和技术的正确性和可行性，针对临床需要、解决临床问题，为形成具有自主知识产权的高端医疗器械设计理论体系奠定基础。

近年来，输尿管软镜技术的出现与发展，为泌尿外科上尿路疾病的诊治提供一种新的微创诊疗手段，在临床上得到了越来越多的开展与应用。然而，传统输尿管软镜尚存在操作难度大、稳定性差、学习曲线长、镜体易损坏、手术姿势不符合人体工程学原理等缺点，极大地限制了其进一步推广和应用。因此，本课题着眼于“医工结合”研究方向，将机器人技术、计算机技术等工科学科与医学相结合，研发并设计输尿管软镜手术辅助机器人系统，解决目前输尿管软镜手术过程中存在的操作难度大、稳定性差、手术姿势不符合人体工程学原理等问题，以实现缩短学习曲线、提高手术质量的目的。. 本课题首先分析了纤维输尿管镜手术过程中的各种运动形式，并进行多自由度运动学建模分析；进一步通过机械设计实现对软镜各种维度运动的机械控制，最终完善设计了主从操作模式的纤维输尿管镜手术辅助机器人系统，并完成了初步工业样机的加工及装配。. 在此基础上，我们通过体外肾脏模型实验及活体动物（猪）实验，对本课题自主研发的机器人系统进行了初步的操控性能评价与验证。实验表明，术者通过本机器人系统远程控制完成软镜的进退、旋转、弯曲三个维度的运动，实现了肾盂肾盏的检查；并集成了激光光纤传送系统，术者通过控制器独自完成光纤的递送和回撤，避免了配合失误、节约人力成本；此外，机器人系统还兼具拨片限位保护、术中快速撤离、无菌套隔离等功能，保证了手术的顺利开展。. 综上，本研究设计研发的纤维输尿管镜机器人辅助系统成功实现了对软镜的灵活操控，能够降低传统软镜手术的操作难度、缩短学习曲线、增强操作稳定性、提高术者操作舒适度，具备提高输尿管软镜手术的效率与效果的潜力，有望成为具有自主知识产权的新一代医疗高端产品。