面向微创手术机器人系统的缝合打结行为研究

【摘要】： 为了解决受限空间下微创手术机器人辅助缝合打结难以操作等问题,本文针对支撑喉镜下的微创喉部手术,开展机器人辅助缝合打结行为研究。本文的主要内容和成果如下: 1.机器人辅助微创外科手术中缝合打结的动作分析及其抽象。 本文分解了微创手术中的缝合打结动作,并将其抽象为“移动到某位置“旋转/调整姿态”、“夹持”、“推/压”、“拉/牵引”和“松开”六种基本动作的组合。本文分析了微创手术缝合打结操作中所用基本动作的频率,作用有效时间,和对力、操作空间及手术工具等的要求。 2.手术纽结的数字化表示:数字编码矩阵。 根据打结操作的动作分析和纽结理论,建立了有向纽结模型,将手术纽结看作不同次序和方向的结扣组合。将单个结扣中交叉点类型、缠绕数、两个缝合线段的相互位置和几何拓扑关系等信息,按照一定规则组成结扣的数字编码矩阵。手术纽结编码矩阵是所组成结扣的编码矩阵的并。本文提出的数字化手术纽结表示方法有利于机器人识别所打纽结的状态。 3.受限手术空间下的缝合路径规划和弯曲扭转打结算法。 针对缝合中影响操作空间的最主要因素,对缝针在组织内的路径进行了规划。对于打结操作,提出通过工具沿其轴向的移动和自转,引起缝合线弯曲、扭转变形而形成线圈的弯曲扭转打结方法。基于缝合线曲带模型和相关纽结理论分析证明该方法可行而稳定。在此基础上提出弯曲扭转打结算法,利用工具两颚弯曲和工具自转自由度完成形成简单结和纽结张紧。该缝合路径规划和打结算法能够应用于机器人辅助支撑喉镜喉部微创手术,具有重要的临床价值。 4.微创手术机器人辅助的缝合打结仿真和实验研究。 基于“妙手”系列手术机器人,系统进行了相关仿真和实验研究,对弯曲扭转打结方法的影响因素进行了分析和评价,验证了缝合路径规划、纽结的数字编码矩阵和弯曲扭转打结算法的可行性和有效性。