基于安全性的手术机器人机构与手术技巧评价

摘要

与传统的工业机器人相比，微创外科手术机器人由于其工作环境与操作对象的特殊性，对安全性提出了更高的要求。为保证手术的安全性，在手术机器人设计、制造、使用的过程中均应有相应的安全性评价方法。本文通过分析腹腔镜手术具体的临床需求，总结机器人辅助微创手术对于机器人设计与使用阶段的安全性需求，并进一步探究手术安全性与机器人设计参数以及操作者操作行为之间的映射关系，提出相应的安全性评价指标，建立手术机器人安全性评价体系及手术操作技巧安全性评价算法。具体工作如下： 首先，本文总结了机器人辅助腹腔镜微创手术的临床需求并给出了部分可使机器人满足临床需求的设计策略与使用策略。在此基础上，以手术机器人从手机械臂为研究对象，详细介绍了为满足微创手术临床需求，保证手术安全进行，从手机械臂所应具备的机械性能。另一方面，结合手术机器人使用阶段对缩短介入时间和优化手术操作的要求，详细分析了操作者所应具备的手术操作技巧。 其次，根据所提出的手术机器人从手机械臂性能需求，结合冗余被动关节式从手机械臂的特点，建立从手机械臂安全性评价体系的理想评价环境，选择和提出了从手机械臂可操作性、运动准确度和反向驱动特性机构评价指标，建立了从手机械臂安全性与其拓扑结构、运动链尺寸以及机器人摆位之间的映射关系，提出了包含拓扑层、运动层、应用层在内的多层级从手机械臂安全性评价体系，既可在机械臂拓扑选型与尺寸链优化时，为工程人员提供量化评价作为参考，也可为医护人员术前调整机器人初始位姿时提供帮助。 然后，根据所提出机器人辅助手术的手术操作技巧安全性需求，利用传统手术技巧培训中的模拟器训练项目，配合磁导航设备所采集的手术器械末端运动轨迹，结合动态时间规整 (Dynamic Time Warping, DTW) 算法，建立特有的运动偏差评价指标，提出了一种无监督的手术技巧量化评价算法。与已有的无监督手术技巧评价算法相比，该评价算法更注重器械末端的运动细节，并可为操作者提供实时评价，更有利于操作者得到自身操作水平的反馈，有助于解决目前手术者难以从手术培训过程中得到快速有效反馈的现状。 最后，本文利用“妙手 S”手术机器人系统，进行了手术操作技巧评价实验，并对实验数据进行分析，验证了所提出的手术技巧评价算法的有效性。

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