胸部变大微创血管介入手术机器人

2021年2月13日发(作者：botox的价格)
1.1

研究意义

在全世界范围内，
心血管疾病已逐渐升 至为威胁人类健康的
“
第一杀手
”
。
我国心脏病患
者已达< br>2.3
亿，每年有
300
万人死于心脑血管疾病，占全国总死亡人数的
40%
。心脑血管疾
病因其发病率高、致残率高和死亡率高已成为对我国中老年人危害最大的疾 病之一。

当前，血管介入手术因其创伤小、时间短、安全性高、患者痛苦轻、术后恢复快、并 发
症少等特点，
成为医学界公认的治疗心血管病的重要手段。
血管介入手术是指医生在 数字减
影血管造影机的导引下，
操纵导管在人体血管内运动，
对病灶进行治疗，
达到栓塞畸形血管、
溶解血栓、
扩张狭窄血管等目的。但是，
人工血管介入手术存在 以下弊端：
医生长期暴露在
X
射线环境下工作，对身体伤害很大；手术方法技巧性强， 对医生的技术水平要求高，培训
时间长；
操作复杂，
医生疲劳和人手操作不稳定等因素 会直接影响手术质量。
这些缺点限制
了血管介入手术的广泛应用，
机器人技术与血管介 入技术有机结合是解决上述问题的重要途
径
[1]
。

微创血管介入 手术机器人将缓解病人对医生需求，
降低医生劳动强度，
并提高手术的效
率和治愈率，
是目前国内外研究的一个热点，
也是机器人领域一个极具挑战性的课题。
在微
创血管介入手术机器人系统中，通过推进机构将导管
/
导丝插入到特定的分支血管是整个手术的关键步骤，
也是血管介入手术机器人要解决的主要突破口，
所以推进机构的研究是关键
科学问题之一。
本课题将在现有研究的基础上，
提出一种完全创新的能够完成支架手术 所需
全部导管
/
导丝递送的推进机构，基于仿生学原理和
HAM
概念 ，建立推进机构的人机一体
化创新设计和
HAM
人机系统控制的理论体系，
并 构建实验平台，
解决现有血管介入手术机
器人系统人机融合性差、人
-
计算机
/
机器人系统之间非对称交互的关键技术难题，为我国急
需实用的微创血管介入手术机 器人系统的研制提供可靠的理论依据和技术支撑，
研究成果具
有重要的科学意义和理论价值。< br>
1.2

国内外研究现状及发展动态分析

1.2.1

导管
/
导丝推进机构的研究状况

微 创血管介入手术机器人系统主要包括定位机器人、导管
/
导丝推进机构、推进机构的
操 作机构、影像导航设备和监控设备等，其中导管
/
导丝推进机构是关键设备之一。图
1 .1.1
为加拿大
Hansen Medical
公司研发的
Sensei< br>血管介入手术机器人系统中的导管
/
导丝推进机构
[2]
，图
1.1.2
为
Catheter Robotic Incorporation
研制 的
Amigo
送管机构，这两种机构都属于主动
导管的输送机构，能够实现主动导管的 插入与抽出、旋转、导管头部的弯曲
[3]
。下面主要
介绍被动导管
/
导丝推进机构的研究。
美国
Corindus
公司研制了一种
CorPat h 200
血管介入手术
机器人系统，
该系统中的导管
/
导丝推进机 构可以将球囊和支架沿导引钢丝送入血管病灶处，
并采用一次性外壳解决部分消毒问题
（图1.1.3
）。在目前的研究成果中，
该机构是为数不多
的可以递送多种导管导丝 的机构，
从功能上来说已经最接近实际手术需求。
图
1.1.4
和图
1.1.5
分别是英国帝国理工学院和日本香川大学研发的推进机构
[5, 6]
，这 两种机构都能够实现对
介入导管的递送，并且还具有实时力反馈的功能，但均没有提及扩张球囊和支架等 的递送。
图
1.1.6
和图
1.1.7
是国内北京航空航天大学和哈 尔滨工业大学研制的导管
/
导丝推进机构
[7,
8]
。
两 者都是由两个电机分别驱动导管做轴向进给和周向旋转运动，
并且采用滚轮摩擦传动
方式递送导 管。

上述几种导管
/
导丝推进机构都存在以下问题：使用时需要将导管从一 端穿入机构，然
后从另一端穿出，导管
/
导丝装夹不便；导管
/
导丝 夹持部件的清洗消毒困难；无法进行球囊
和支架软端部分的插入和抽出。
这些缺陷影响了机构的 实际临床应用。
燕山大学提出一种机
构
[9]
，解决了上述问题，但缺点是轴 向进给和周向旋转不能同时运动（图
1.1.8
）。本项目
申请就是针对以上存在的问 题，提出一种全新的导管
/
导丝推进机构。


1.1.2 Amigo
导管推进机构



















图
1.1.1
Sensei
导管推进机构










































图


导管推进机构



图
1.1.3 CorPath 200
导管推进系统



































图
1.1.4
英国的

图
1.1.5
日本香川大学的主从推进机构






































图
1.1.6
北京航空航天大学的导管推进机构





图
1.1.7
哈尔滨工业
大学的导管推进机构


图
1.1.8
燕山大学的导管推进机构

1.2.2

推进机构定位操控的研究状况

由系统构成可知，
用于推进机构定位的机械臂 的位姿调整方式也是机器人系统研究的重
要问题之一。
定位机械臂主要包括主动式、
被 动式两种。
主动式定位机械臂各个关节都装有
驱动装置，
定位精度高，
无需机 械臂自身平衡，但传统的控制方式过于程式化，不能随意拖
动，只能按预定程序走预定轨迹
[1 0]
，环境适应能力不强。被动机械臂指的是机械臂关节没
有安装驱动装置，
需要通过 外力使其运动，
其优点在于能够在人力作用下任意拖动。
目前应
用于医疗领域的被动机 械臂有
Da vinci
系统和
ZEUS
机器人系统
[11]
，北京航空航天大学开
发的
“
黎元
”
立体定向机器人系统
[12]
、天津大学开发的
“
妙手
”
系统
[13]
等。但被动机械臂的
局限性在于机构设计上需要实现自身的平衡，还要有自锁装置，难于进行精确位姿的 调整。

鉴于主动和被动定位机械臂都有各自的缺点，
意大利学者提出一种主被动两用 的定位机
械臂
Navi-Robot
，可以人手操作也可以编程操作
[14]
。文献
[15]
提出一种各关节都装有力矩
传感器的手术器械定位机器人，< br>机器人通过各关节所受的力辅助操作，
这样不用预先设定轨
迹程序，
即可实现机 械臂随着操作者的拖拽任意运动，
即保持了主动机械臂无需自身平衡的
优点，
又具备了 被动机械臂操作随意性和灵活性的优点。
但是由于机器人的运动是通过关节
力反馈进行控制，< br>难于按照希望轨迹精确到达目标位姿。
为此，
本申请提出一种基于六维力
传感器 拖拽方式的定位机械臂操控方法，来解决上述主被动机械臂定位存在的问题。

1.2.3

推进机构主从控制的研究现状

微创血管介入手术机器人系统大都采用主从控制的操作方式。
日本香川大学开发的微创