机器人在微创外科手术中的应用

背景：微创外科手术机器人具有稳定性好、操作灵活、运动精准、手眼协调等特点,是微创手术未来发展的方向。目的：分析微创外科手术机器人的现状,探讨微创外科手术机器人的关键技术。方法：分别从体外手术机器人与体内手术机器人等方面,详细分析和介绍了国内外近年来的主要研究成果,并对微创外科手术机器人的力反馈、主从控制策略等关键技术进行了探讨。结果与结论：综合国内外微创外科机器人的研究情况来看,微型体内手术机器人是手术机器人领域的研究热点,特别是微型机器人的灵巧性设计、手术机器人的定位、运动规划与控制、操作力的实时测量与力反馈等关键技术。主从操控技术是手术机器人进行遥操作和微操作的关键环节。     

经鼻颅底手术器械弯曲结构的优化设计

解决目前经鼻内镜颅底手术中存在的诸多难题,设计一种新型的可弯器械,对其弯曲结构进行几何分析及有限元分析,得到最优化尺寸参数,并验证其安全性。样机模拟手术实验表明,该弯曲结构最佳尺寸参数为切槽深度1.1 mm﹑宽度0.35 mm,并选择有槽底倒角的加工方式,在最大弯曲角度下,应力及应变均在弹性形变范围内,因此在使用过程中是安全可靠的。该器械的使用,可以解决经鼻颅底手术的操作难题,提高临床手术效果。     

腹腔镜模拟训练效果的客观评价

目的目前国内尚无结合腹腔镜模拟训练者的手眼运动特征对其训练效果进行客观评价的研究。本文主要利用Micron Tracker双目视觉导航仪和眼动仪,通过分析训练者的手眼运动特征对腹腔镜模拟手术的训练效果进行评价。方法利用Micron Tracker双目视觉导航仪采集并记录器械尖端运动的三维坐标,计算器械运动的总路径长度;利用眼动仪采集并记录训练者的操作时间和眼动信息,并计算出注视率、眼跳率和眼跳幅度,来评价腹腔镜手术训练效果。结果随着操作次数的增加,训练者的熟悉程度增加。第30次训练操作与第1次训练操作相比较:操作时间减小了58.18%,呈现减小趋势,并趋于稳定;右手器械总路径长度减少了63.95%,左手器械总路径长度减少了56.28%,左手器械总路径长度小于右手器械总路径长度,且均呈减少趋势并趋于稳定;眼跳率减小了20.81%,呈现减小的趋势;眼跳幅度增大了28.39%,呈现增大趋势;而眼动注视率和注视持续时间平均值并没有显著性变化(P0.05)。结论基于手眼运动特征的参数(操作时间、左右手总路径长度、眼跳率和眼跳幅度等)可以作为腹腔镜手术技能培训效果的客观评价指标。     

微创手术机器人机械臂结构设计与工作空间分析

目的现有双平行四边形机构设计的机械臂需要串联一个伸缩自由度机构,导致机械臂体积增大,运动灵活性降低,持镜臂与持器械臂发生干涉。针对这一问题,提出一种新型机械臂结构,增强运动灵活性、减小机械臂的体积。方法采用5连杆机构、滑块与滑轨的低副机构和丝传动机构设计机械臂,实现末端执行器的伸缩运动,建立机械臂的运动学模型,以MATLAB为仿真工具验证零位关节角D-H参数的正确性,求解出机械臂的运动方程;同时运用蒙特卡洛算法,得到末端执行器的三维工作空间范围,并对3条机械臂作术前动物实验规划;最后,在猪体内进行胆囊切除等操作,验证机械臂的双5连杆2自由度设计的合理性和可操作性。结果蒙特卡洛算法在MATLAB环境下得到的工作空间范围为:-650.4 mmx649 mm,163.8 mmy1 202 mm,-254.6 mmz829.8 mm,并成功完成16例猪的胆囊切除实验,平均操作时间为51 min。结论新型设计的双5连杆2自由度机械臂在猪体内成功完成胆囊切除等操作,且猪术后无其他不良症状,机械臂之间的运动无干涉,充分验证了所提出的微创手术机器人机械臂设计方案的可行性。     

内镜柔性器械腱鞘传动模型及实验研究

目的 建立内镜柔性器械腱鞘系统的推力传动模型,研究影响传动效率的关键因素。方法 建立腱鞘系统在器械推送作用下力和位移的传动模型并进行仿真计算;搭建腱鞘系统传动测试的实验平台以验证模型的准确性,研究传动速度、腱鞘直径比、弯曲半径等对传动效率的影响。结果 腱鞘传动过程中存在显著的非线性传递现象,传动模型仿真与实验结果基本符合;传动速度、腱鞘直径比、弯曲半径均对内镜柔性器械的推力传动有较大影响,对位移传动的影响相对小一些。结论 该模型可用于内镜柔性器械中腱鞘系统推力传动的计算,提供给医生器械工作末端的力反馈,以保证器械的安全操作和提高手术效果;在内镜柔性器械的精准控制中需要综合考虑传动速度、腱鞘传动比、弯曲半径等对运动传递的影响。     

新型内镜连续止血闭合器械的设计与分析

目的设计一种新型内镜连续止血闭合器械,并进行有限元分析,验证其是否满足实现组织闭合功能的设计要求。方法在器械抓钳聚拢目标组织后推送金属夹,使其部分穿透组织,通过金属夹与抓钳内壁的相互挤压强迫金属夹细臂弯曲闭合,完成施夹后金属夹留在组织上,并对金属夹施加2 mm反向位移。设定金属夹材料弹性极限为239.0 MPa,抗拉强度为901.0 MPa。结果在穿刺组织过程中金属夹没有发生变形,最大应力为212.6 MPa;在闭合过程中变形符合设计预期,最大应力为727.7 MPa;在反向2 mm位移下金属夹最大应力为75.8 MPa。金属夹在施夹过程和2 mm位移作用下材料均未失效,最大总应力为741.0 MPa。结论设计的新型内镜连续止血闭合器械能够一次性施放4个金属夹,具备用于聚拢组织的独立抓钳,能够减少更换金属夹的时间并提高施夹准确性,同时有限元方法验证了器械在使用过程中是安全可靠的。     

基于二维图谱转换的心电信号分类方法

目的 提出一种基于二维图谱转换的心电信号分类方法,以期为临床应用提供参考。方法首先通过格拉姆角场将一维心电信号转换成二维图像,其次对图像提取灰度共生矩阵和颜色矩特征,并运用支持向量机（support vector machines,SVM）对心律失常信号分类,最后使用MIT-BIH公共数据集对此分类器进行训练和测试。结果 该方法分类的总准确率为99.9%,可实现对心律失常的有效分类。结论与传统波形形态分类算法相比,本文提出的将信号转换成二维图谱的分类方法有效解决了模型抗干扰能力差的问题,从而提升了分类器的准确率,具有潜在的临床应用可行性。     

冠状动脉开口病变治疗中支架精确定位技术研究进展

对于冠状动脉开口病变,支架的精确定位可有效提高介入治疗的效果.本文重点介绍了现有的几种支架精确定位的技术和相关的辅助器械,其中包括支架draw-back技术,Szabo或＂尾丝＂技术,使用镍钛记忆合金的Ostial Pro支架定位系统.本文阐明了支架植入时精确定位的关键技术要求,介绍了上述3种支架定位技术在国内外的临床使用情况.本文最后介绍了建立在Ostial Pro支架定位系统基础上,作者设计的一种镍钛合金丝一体成型的支架精确定位系统,希望提高支架定位装置的安全性和可操控性.     

靶向药物洗脱支架扩张过程力学性能研究

目的:药物洗脱支架(DES)的出现,在心血管狭窄治疗领域具有里程碑意义。DES扩张过程的力学性能对冠状动脉支架植入术的成功有着重要影响。球囊扩张冠脉支架的完整变形过程包括支架装配时往球囊上的压握过程、支架在球囊作用下的扩张过程、以及球囊撤出后支架受血管壁的周期性压缩过程3个阶段。研究两种不同结构的药物洗脱支架(DES)扩张过程的力学性能,以期对DES结构设计提供科学的指导。方法:采用Solidworks软件建立2种不同结构的支架模型(根据外表面刻槽与否分别称为II型支架和I型支架);使用Hypermesh软件对建立的几何模型进行六面体网格划分,并对网格进行优化;使用Abaqus有限元分析软件,对两种支架扩张过程中重要的力学性能指标进行了分析。结果:相对于I型支架,II型支架在减少载药量的同时,其径向回弹率、轴向回弹率、扩张不均匀性等力学性能并未降低。与II型支架相比,I型支架不仅在支撑体上存在面积更大的高应力区域,而且其最大应力值(585.5 Mpa)也要高于II型支架(446.2 Mpa)。结论:相对于传统药物洗脱支架,靶向药物洗脱支架在减少载药量的同时,力学性能并未降低,对心血管狭窄等疾病的治疗具有较好的临床应用前景。     

高频电刀的质量控制与管理

为提高高频电刀使用的安全性,定期地应用高频电刀质控检测设备,检测高频电刀的输出功率、高频漏电流、波峰因子等各项计量性能指标,从而掌握高频电刀的质量状况。有效地对高频电刀的质量实施管理,安全使用高频电刀,对于临床使用具有重要的实际价值。