微创机器人外科光纤触觉感知技术及其应用研究

Excessive manipulating force and tissue trauma may be caused due to the absence of tactile sensing information, which is currently a major drawback of minimally invasive robotic surgery (MIRS), and there has yet to be a breakthrough of its core technologies. Through the use of fiber optic sensing, a number of challenges involved such as the design of a miniature force sensor and its applications to the identification of tissue types and boundaries as well as the feedback control of a surgical robot are proposed here to be investigated systematically. First, a multiaxial fiber optic force sensor is designed and integrated with a surgical tool, and its operating principle is derived based on Fabry-Perot interferometry. Second, a particle filtering method is used to process online sensory data of force at the distal end of the tool, and the pattern of force variation is extracted and used to identify tissue types and boundaries by a combination of the tissue anatomy. Third, considering the complexity of interaction between the tool and the deformable and movable tissue, an adaptive impedance control scheme is proposed to precisely control the manipulating forces at the tip of the tool on the basis of an interaction model, which is expressed by a wave transfer function. Finally, taking epidural puncture as a study case, bench tests are conducted using ex vivo animal specimens to assess the force sensor's performance like accuracy, sensitivity, etc, and its application effectiveness and feasibility in the field of MIRS. The theoretical and technological outcomes of this study can be used to reduce the risk of an MIRS operation and improve its accuracy, stability and quality, and can also be applied to many other minimally invasive surgeries in practice.

触觉力信息缺失导致过大的操作力和组织创伤，是当前微创机器人外科面临的共同问题，其关键技术有待突破。本项目利用光纤技术，深入研究微型触觉力传感器及其在组织类型和边界鉴定、机器人反馈控制应用中涉及的一系列挑战性问题。首先，研究法-珀腔多轴光纤力传感器的工作原理及其与微创器械一体化结构设计方法；其次，结合粒子滤波理论和组织结构，研究器械远端力信号的变化规律及组织类型和边界鉴定方法；然后，基于相互作用波动模型，研究变约束条件下微创机器人的自适应阻抗控制技术，实现机器人对手术器械在软组织上作用力的精准操控。最后，选择脊柱穿刺作为应用案例，进行动物和替代组织实验研究，检验光纤力传感器的测量精度、灵敏度等性能指标，及其在应用中的有效性和可行性。课题获得的相关理论与技术，有望消除触觉缺失引起的手术风险，提高微创机器人外科手术的精度、稳定性和质量，促进其推广应用。

触觉对微创机器人外科来说是十分的重要。它提供微创医疗器械在器官软组织上的作用力信息，分析软组织的刚性、弹性和韧性等力学特性，估计病变部位大小和形状，甚至区分组织类型，还可用在微创机器人反馈控制，提高整个控制系统的安全性、稳定性和鲁棒性。项目针对具有前瞻性的微创外科机器人触觉感知技术开展研究，完成的主要研究内容如下：.首先，研制了一类可以集成到微创医疗器械末端的微型光纤力传感器。利用法布里－珀罗干涉原理设计光纤力传感器，建立了法－珀腔长与光强的调制解调关系模型，设计传感器的光链路，实现光纤力传感器与手术器械一体化结构设计，以及传感器的封装及其与穿刺针的针尖内腔集成。在此基础上，通过标定平台，对光纤力传感器进行标定，建立作用力与输出光强信号的数学关系，并分析力传感器的测量范围、精度、灵敏度和分辨率等。.然后，研究基于穿刺力信号的器官组织类型和边界鉴定方法。利用所研制的集成了光纤力传感器的穿刺针，进行器官软组织穿刺，采集穿刺过程中针尖上的力信号，通过多分辨率多尺度的小波变换，并结合组织特性，分析针受力信号特点实现组织类型的在线识别和边界界定。力信号小波变换通过Mallat算子实现。.接着，研究基于力反馈的微创机器人控制方案。第一个方案结合相互作用模型以及穿刺力信号特点，设计机器人进针策略，提出经典的PID控制算法，实现机器人穿刺位置以及针尖的力控制。由于机器人针所穿刺的器官一般是非均匀的粘弹软组织，难以建立精确的针与组织相互作用模型，而且，对于经皮穿腔软组织穿刺，针历经分层非连续组织介质，机械特性和边界条件均有差异，为此，在第二个方案中，提出了一个结合力信号模式和软组织边界的阻抗顺应控制策略，实现针尖位置和穿刺力的控制。.最后，搭建了一个机器人针穿刺典型应用实验平台，进行了大量的测试和验证实验。在仿真组织/（动物）替代组织上进行光纤力传感器性能测试，进行了机器人针穿刺位置控制实验和力反馈控制实验，检验所研制的光纤力传感器测量精度、范围和灵敏度等性能指标，验证手术器械在组织上作用力的特征分析方法和微创机器人控制理论与技术的有效性，评估光纤力传感技术和机器人控制技术在MIRS应用中的可行性。