面向腹腔机器人手术的典型超弹性体器官操作力模型研究

Determination of haptic force in robotics surgery is of crucial importance to improve robotic control and surgery accuracy. Our goal is to come up with a quantitative description of the haptic force in robotics surgery. We will focus on the abdomen organs that have hyperelastic properties. We choose liver as a study example that demonstrates to be hyperelastic. We propose to use a shear-testing method to characterize tissue anisotropy and verify the isotropy hypothesis of the model. We will construct a hyperelastic material model with the measured mechanical properties of the liver tissue, and analyze the effect of viscoelastic parameters in the model. We will simulate typical surgical operations such as cutting and biopsy using finite element method, and analyze the operation force and corresponding parameters. We propose to use a function to describe the operation force. An animal model will be used to validate the fitted haptic force function. Theoretical analysis and experiment data from this study will benefit the research and clinical community of robotics surgery.

腹腔机器人手术中操作力的准确计算，对改进手术力反馈，提高手术精度具有重要意义。本项目以腹腔手术器官中典型的超弹性体器官—肝脏器官为例，研究腹腔机器人手术操作力的定量描述。首先通过测量腹腔典型器官组织动态剪切模量建立超弹性模型，研究粘弹性系数对器官模型的影响。其次基于超弹性模型针对机器人手术操作典型动作（切割、穿刺）开展有限元计算分析，揭示手术操作力与组织剪切模量、刀具接触长度等参数的函数关系。最后，开展动物组织实验研究，验证机器人手术操作力拟合函数的有效性，为机器人手术的基础理论研究与临床应用提供理论模型基础与数据支撑。

该项目以手术操作过程中，软组织的力学响应为主要背景，面向机器人手术的操作和控制。在项目开展过程中，发展了面向软组织响应描述的计算模型和图像处理方法。主要研究内容包括：软组织在大变形下组织力学特性响应和力学特性参数测量方法；面向影像导航机器人手术的软组织图像自动分割方法；基于生物力学特性的软组织治疗后的特性评估。重要结果和关键数据包括：建立了描述脑组织轴向同性的理论模型和计算模型，并通过实验方法得到了描述脑白质超弹性模型的三个参数；建立了测试软组织力学特性的实验平台和方法，实现了对正常组织和疾病组织的生物力学特性的测量；建立了基于改进模糊聚类算法的图像分割方法，实现了超声图像的自动分割；在小鼠动物模型基础上，实现了基于生物力学特性参数的治疗效果评估。本项目的开展，为未来可用于影像导航机器人手术和治疗操作的软组织模型建立，提供了必要的模型基础和技术支持。同时为脑科学中功能特性和物理特性的探索，以及基于生物力学理论的疾病诊断和治疗开辟了新的方向。项目产生成果14项，其中期刊论文11篇，发明专利3项。