外科手术机器人缝合打结研究

论文摘要

外科手术机器人系统充分利用医生的经验以及机器人定位精确、运行稳定、操作精度高等特性,可以使外科医生以舒适的操作环境完成精细的手术动作,极大地拓展了医生的技能,提高手术质量与安全性,缩短治疗时间,降低医疗成本。缝合打结是外科手术机器人不可缺少的功能。由于缝合线本身的非线性变形特征,在运用机器人进行缝合打结时,缝合线的形状难以控制,大大延长了手术时间。研究机器人缝合打结规律对于提高机器人精度和效率,加快机器人的临床应用进程具有重要意义。根据外科手术机器人设计原则和临床手术工作空间要求,设计出用于显微血管手术的主从式机器人系统-“妙手”系统。从手采用RCM（Remote Center-of-motion）的结构。姿态机构采用三轴交汇于一点的结构形式,位置机构采用丝传动实现双四连杆机构形式。从结构上实现了姿态与位置的解耦,同时可实现手术工具在末端点固定不动的情况下进行大范围的姿态调整。以运动灵活度作为技术指标对从手机构进行了尺度综合,得出位置机构的杆件长度及工作姿态:当位置机构三杆等长,且1杆和3杆互相垂直时,机构运动灵活度指标取最大值。根据主手和从手的运动学方程,运用蒙特卡罗法分别得出主手、从手的独立工作空间及协同工作空间。以协同工作空间最大为优化目标,得出了最优的布置方式,同时得出主手与从手之间的比例系数为6:1。根据机器人缝合打结时缝合线受力分析,建立缝合线长度计算模型,根据该模型可确定机器人进行缝合打结时合适的缝合线长度,并提出“线圈规则度”指标来评价线圈是否适宜进行打结。运用纽结理论,分析机器人进行“缠绕打结”法打结时缝合线不稳定的原因,提出了一种新的机器人打结方法-“扭转打结”法。并以“妙手”系统为试验设备,对缝合线“扭转打结”法进行了试验研究。通过试验数据分析得出“扭转打结”时的变形规律。采用虚拟现实技术实现虚拟力补偿,可弥补主从式遥操作机器人由于缺乏力反馈而造成的手术时间长、精度低、意外器官损伤等缺陷。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 医疗机器人概述
• 1.2 外科手术机器人发展状况
• 1.2.1 美国外科手术机器人发展状况
• 1.2.2 日本外科手术机器人发展状况
• 1.2.3 国内外科手术机器人发展状况
• 1.2.4 外科手术机器人发展状况分析及问题提出
• 1.3 外科手术机器人缝合打结相关研究
• 1.3.1 缝合线仿真研究
• 1.3.2 缝合打结力研究
• 1.3.3 缝合打结装置研究
• 1.4 虚拟现实技术在外科手术上的应用
• 1.5 本文的研究内容
• 第二章 机器人运动学
• 2.1 引言
• 2.2 多刚体系统运动学
• 2.2.1 刚体的姿态和位置
• 2.2.2 刚体的速度和角速度
• 2.2.3 刚体的加速度和角加速度
• 2.3 机器人系统运动学
• 2.3.1 机器人位姿矩阵
• 2.3.2 运动学正解及逆解
• 2.3.3 雅克比矩阵
• 2.4 机构优化
• 2.5 本章小结
• 第三章“妙手”系统结构设计与尺度综合
• 3.1 引言
• 3.2 外科手术机器人设计的一般原则
• 3.3 手术空间测量
• 3.3.1 显微血管手术动作分析
• 3.3.2 投影法确定手术工作空间
• 3.3.3 手动缝合打结与机器人缝合打结对比分析
• 3.4 “妙手”系统总体结构
• 3.4.1 Phantom 主手介绍
• 3.4.2 从手设计思想
• 3.5 机构设计
• 3.6 “妙手”机构运动学分析
• 3.6.1 双四连杆机构运动学
• 3.6.2 位置机构运动学
• 3.6.3 从手手臂机构运动学
• 3.7 机构优化设计
• 3.7.1 基于运动灵活度指标的优化
• 3.7.2 位置机构逆运动学
• 3.8 “妙手”缝合打结分析
• 3.9 本章小结
• 第四章 “妙手”系统工作空间分析
• 4.1 引言
• 4.2 “蒙特卡罗方法”基本概念
• 4.3 主手工作空间分析
• 4.3.1 单个主手工作空间分析
• 4.3.2 双主手协同工作空间分析
• 4.3.3 主手布置方法优化
• 4.4 从手工作空间分析
• 4.5 主、从手工作空间对应关系分析
• 4.6 试验验证与分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 机器人辅助缝合打结研究
• 5.1 引言
• 5.2 外科手术缝合打结分析
• 5.2.1 缝合打结基本原则和特性
• 5.2.2 机器人缝合打结存在的问题
• 5.3 缝合线打结数学分析
• 5.3.1 带形模型介绍
• 5.3.2 “缠绕打结”法分析
• 5.3.3 “扭转打结”法分析
• 5.4 确定合理的缝合线长度
• 5.4.1 缝合线模型
• 5.4.2 线圈规则度
• 5.4.3 缝合线长度计算
• 5.5 “扭转打结”试验研究
• 5.5.1 “扭转打结”试验设计
• 5.5.2 “扭转打结”试验数据分析
• 5.5.3 “扭转打结”试验理论分析
• 5.5.4 “扭转打结”验证试验
• 5.5.5 结论
• 5.6 本章小结
• 第六章 缝合打结力虚拟补偿分析
• 6.1 引言
• 6.2 虚拟现实技术实现临场感操作
• 6.3 “妙手”虚拟力补偿系统
• 6.4 血管缝合虚拟环境
• 6.4.1 血管仿真
• 6.4.2 缝合线仿真
• 6.4.3 缝合打结受力分析
• 6.5 动物试验
• 6.6 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢