單孔腹腔鏡手術(shù)作為一種新型微創(chuàng)手術(shù)形式,有著切口單一微小、出血更少的優(yōu)勢(shì)。單孔手術(shù)機(jī)器人是單孔腹腔鏡手術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合體,它進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了手眼協(xié)調(diào)、遠(yuǎn)程操作和圖像導(dǎo)航等功能。但相對(duì)于傳統(tǒng)微創(chuàng)外科手術(shù),外科醫(yī)生需要通過(guò)單孔手術(shù)機(jī)器人間接完成手術(shù),這對(duì)外科醫(yī)生的安全性操作提出了更高的要求。本文將緊密?chē)@單孔手術(shù)機(jī)器人的安全性操作問(wèn)題,主要從“訓(xùn)練中引導(dǎo)”和“訓(xùn)練后引導(dǎo)”兩方面著手,提出了一種術(shù)中安全性操作引導(dǎo)方法和一種手術(shù)技巧自動(dòng)評(píng)價(jià)方法。本文的主要工作內(nèi)容如下:首先,為了利于數(shù)據(jù)采集和仿真驗(yàn)證,開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于單孔手術(shù)機(jī)器人從手構(gòu)型的訓(xùn)練模擬器。從手器械和環(huán)境物體三維模型由SolidWorks及3DMAX建模。基于C++語(yǔ)言和OpenHaptics庫(kù),在Microsoft Visual平臺(tái)上搭建了該訓(xùn)練模擬器,并開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)仿真、力反饋及自動(dòng)評(píng)價(jià)等功能模塊。其中自動(dòng)評(píng)價(jià)通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析完成�；谠搯慰资中g(shù)機(jī)器人訓(xùn)練模擬器,開(kāi)發(fā)了一系列訓(xùn)練任務(wù)如軌跡跟蹤、套環(huán)和穿針等。其次,在單孔手術(shù)機(jī)器人訓(xùn)練任務(wù)中加入了虛擬引導(dǎo),建立了虛擬引導(dǎo)的幾何模型和物理模型,能夠在執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)中引導(dǎo)外科醫(yī)生... 

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SPIDER單孔手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

第一章緒論2在徑向進(jìn)行延展，從而便于柔性器械的使用。這種設(shè)計(jì)便于形成一定的操作三角，符合外科醫(yī)生的操作習(xí)慣。第二代系統(tǒng)則在柔性器械傳輸管上采用了“脊柱”設(shè)計(jì)。當(dāng)SPIDER系統(tǒng)介入人體腹腔后，柔性器械傳輸管將有效地引導(dǎo)柔性工具在腹腔內(nèi)進(jìn)行操作[1]。SPIDER系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：操作三角空間有限、器械由于采用柔性材料而造成工具末端操作力不足以及消毒殺菌困難。圖1-1SPIDER單孔手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)Figure1-1SPIDERLESSroboticsystem(2)IREP單孔手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)IREP是由美國(guó)哥倫比亞大學(xué)Simaan領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一種單孔手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，如圖1-2所示。該系統(tǒng)將三維視覺(jué)模塊和手術(shù)工具折疊到15mm的套筒中，并可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的戳卡孔進(jìn)入到腹腔內(nèi)部，在腹腔內(nèi)部展成工作形態(tài)。該系統(tǒng)的機(jī)械裝置部分共有三個(gè)組成模塊：2個(gè)外徑6.4mm及6個(gè)自由度的蛇形從手器械，其中連續(xù)型蛇形關(guān)節(jié)具有4個(gè)自由度，腕部關(guān)節(jié)和末端開(kāi)合鉗各具有一個(gè)自由度；2個(gè)五桿機(jī)構(gòu)，用于控制柔性器械的工作形態(tài)和相對(duì)位移，各具有2個(gè)自由度；一個(gè)可控立體視覺(jué)模塊，用于捕捉術(shù)中操作的視覺(jué)信息，具有3個(gè)自由度[2]。IREP系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：有限的工具靈活性、笨重的驅(qū)動(dòng)模塊。圖1-2IREP單孔手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)Figure1-2IREPLESSroboticsystem

第一章緒論3(3)SPRINT單孔手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)SPRINT單孔手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)由意大利圣安娜高等學(xué)校PaoloDario帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)，如圖1-3(a)所示。該系統(tǒng)包含兩支6自由度的關(guān)節(jié)型器械。兩支器械能夠由一個(gè)外徑30mm的戳卡點(diǎn)送入腹腔中，并在腹腔內(nèi)部展開(kāi)成類(lèi)似于人類(lèi)手臂的形式。SPRINT2.0則需要從外徑34mm的戳卡點(diǎn)進(jìn)入腹腔，器械的外徑為18mm，具有6+1自由度，如圖1-3(b)所示。SPRINT系統(tǒng)器械相比于SPIDER系統(tǒng)器械能夠提供更大的工具末端最大操作力(5N)，能夠滿足多數(shù)外科手術(shù)的需求[3]。SPRINT系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：復(fù)雜的裝配、需要特殊的戳卡、器械體積大以及有限的工作空間。圖1-3SPRINT單孔雙臂手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)Figure1-3SPRINTLESSdouble-armroboticsystem(4)i-Snake單孔手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)i-Snake是由英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)楊廣中團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一種單孔手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)如圖1-4。它主要應(yīng)用于復(fù)雜的心臟冠狀動(dòng)脈搭橋手術(shù)，以及對(duì)消化道、直腸等存在視覺(jué)盲區(qū)的病灶進(jìn)行診斷治療。該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于組合式關(guān)節(jié)單元設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)基于混合微電機(jī)和絲傳動(dòng)，能夠在連接件內(nèi)留足內(nèi)部通道所需空間的同時(shí)，也能允許各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的獨(dú)立控制。該系統(tǒng)具有三個(gè)通道，包含一個(gè)內(nèi)窺鏡通道和兩個(gè)器械通道。由于三維視覺(jué)模塊具備充分的靈活性，因此外科醫(yī)生可以借助該系統(tǒng)探索人眼不能直接觀察到的復(fù)雜結(jié)構(gòu)腔體。該系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，并證實(shí)了能夠帶來(lái)更小的創(chuàng)傷、更短的手術(shù)完成時(shí)間以及術(shù)后恢復(fù)時(shí)間[4]。i-Snake系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：由于缺少器械構(gòu)成的操作三角，在組織操作能力上體現(xiàn)出一定限制性。


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