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题名	消化内镜手术机器人关键技术研究
作者	江维
答辩日期	2021-05-21
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	沈阳
导师	王志东
关键词	消化内镜手术 控制策略 背隙建模 情景感知 自主介入
学位名称	博士
其他题名	The Research on the Key Technologies of Surgical Robot for Digestive Endoscopy
学位专业	机械电子工程
英文摘要	经内镜逆行性胰胆管造影（Endooscopic Retrograde CholangioPancreatography）手术由于所作用的胰胆管区域在消化道深部，且涉及肝脏、胰腺等重要脏器，因而难度大、风险高，被誉为消化内镜手术皇冠上的明珠。目前临床中ERCP手术仍存在一些问题导致其对医生的技能和经验依赖程度较高，只能在一些三甲医院才能开展，主要包括手术器械不灵巧导致介入难度大、多人协作操控内镜和器械效率低以及辐射危害医护人员生命健康等问题。本论文在国家重点研发计划的资助下，针对消化内镜手术机器人构型设计、控制策略以及自主介入方法等关键技术进行深入研究。具体内容如下：(1) 分析ERCP介入任务需求，在先前研制的内镜操控机器人基础上，开展结构优化设计，模仿临床医生双手操控形式来配置内镜操控机器人的自由度。剖析经内镜逆行介入胆胰管的操作任务对手术臂机械结构以及运动特性要求，研制连续体型镜下手术臂，该手术臂能够沿消化内镜的器械腔道抵达十二指肠部位，完成精细定向插管任务，并逆行介入至胆胰管中，为后续的活检、取石以及碎石等手术建立通道。为保障介入安全性，设计消化内镜机器人传感方案，实时检测内镜介入状态，包括输送力、输送长度以及输送速度等。(2) 针对消化内镜及镜下手术臂介入的需求，研究主从式介入方法。基于人机工程学设计建立消化内镜手术机器人与操作手柄的运动映射方案。针对腱鞘摩擦导致消化内镜及镜下手术臂控制精度低的问题，建立腱鞘驱动机构的背隙模型，并设计背隙补偿策略，提高手术臂控制精度，以完成精确的内镜弯曲定向以及手术臂的选择性插管任务。基于监督学习方法融合多源介入感知信息，对内镜介入操作进行辨识和异常检测，并设计内镜操作策略，为医生提供操作约束，降低主从操作模式下消化内镜的介入难度，保障介入安全性。(3) 针对消化内镜以及镜下手术臂自主介入的任务需求，研究消化内镜手术机器人自主介入方法。基于Faster-RCNN目标检测和数学形态学图像处理方法从镜下图像中提取消化道解剖特征和介入靶点。针对胆胰管介入过程中十二指肠乳头会被镜下手术臂遮挡的问题，基于Median Flow方法追踪十二指肠乳头在镜下图像中的位置。基于检测的介入状态和解剖特征位置设计消化内镜和镜下手术臂控制方法，实现消化内镜手术机器人的自主介入。(4) 开展仿真模型、动物以及临床实验研究来验证消化内镜和镜下手术臂的主从、自主介入方法的实用性和可行性。联合临床专家制定机器人操作流程，包括手术场景布置、备台/撤台流程以及机器人术中可能出现的风险及相应的对策。研究制定详细的实验方案，记录重要实验数据，评估主从介入和自主介入方法在成功率、耗时等指标方面的表现。实验结果表明，自主介入的表现如耗时、介入力等要优于新手医生，且基本持平于专业医生的主从操作。综上所述，本文从消化内镜介入手术面临的手术器械不灵巧导致介入难度大、多人协作操控内镜和器械效率低以及辐射危害生命健康等问题出发，针对消化内镜手术机器人构型设计、控制策略以及自主介入方法等关键技术开展了深入的研究。通过开展模型实验、动物实验以及临床实验验证所建立的消化内镜手术机器人的实用性。本文提出的消化内镜手术机器人构型能够完成消化内镜及镜下手术臂的介入操作任务需求。本文提出的主从介入方法能够辅助医生实现机器人化消化内镜操控及镜下手术臂的介入操作。其中，研究的腱鞘驱动机构的背隙模型能够提升执行臂的定位和定向精度；提出的操作约束方法能够降低内镜介入难度，保障手术安全性。本文提出的消化内镜及镜下手术臂自主介入方法能够将医生从繁重的操作任务中解放出来，将精力更多地集中在操作决策层面。此外，本文所提自主介入方法能够拓展到其他自然腔道如呼吸、泌尿等的软式内镜的植介入诊疗。
语种	中文
产权排序	1
页码	116页
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.cn/handle/173321/28999]
专题	沈阳自动化研究所_机器人学研究室
作者单位	中国科学院沈阳自动化研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	江维. 消化内镜手术机器人关键技术研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021.

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