腹腔镜机器人持镜手臂的优化设计及性能研究

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1、第一章绪论问题。将机器人技术应用于微创伤手术会使手术过程中的图像质量更加稳定，进而提高手术质量，同时也将减少医生的劳动强度。1．2国内外相关领域的研究现状1．2．1国外研究现状现代的电视腹腔镜外科技术出现于1987年。它从胆道外科出发，带来了一场十足的外科技术革命。由于腹腔镜技术最大限度的减小了切口，具备美容效果；可以有效地降低手术创伤，有利于患者术后的恢复。自问世以来的十几年间，该技术从操作比较简单的胆囊、阑尾手术扩展到脾脏、肝脏、肺、胃肠等70余种手术；从普外科扩展到多个外科领域。普外科中操作较为复杂的胰十二指肠切除术也

2、可以在腹腔镜下完成【17】。在电视腹腔镜技术发展过程中，有一些缺点始终难以克服：扶镜手与术者协调欠佳，视讯系统仅能提供不够稳定的二维视野，由于需要反复调整，所以延长了手术时间；视野视角偏小，内镜系统的放大效应常使手术者无法感知器官的真实大小。更为重要的是，器械操作受腹壁操作孔的限制，自由度受限；长时间的操作易导致手部振颤的产生，影响到操作的精确程度。这些缺点限制了腹腔镜在高难度、高精度外科领域中的应用【4】。现代信息工程技术的迅速发展特别是远程控制技术的突破，使上述问题有望得到解决。微创外科技术与现代信息工程技术相结合，诞生

3、了腹腔镜机器人技术。与传统的腹腔镜技术相比，腹腔镜机器人在理论上可具有下列优势【5】：手术者自我控制的三维立体视讯系统；具备七个自由度的机械手，在腹腔内可以灵活完成打结、缝合等复杂操作；可消除手部振颤，腹腔内操作灵活精确；易被初学者掌握，更符合人体工程学的原理(Ergonomics)，减轻手术造成的疲劳，使一些复杂手术可望成为常规技术。如同腹腔镜技术对于传统外科技术而言，腹腔镜机器人技术对于电视腹腔镜技术也有望成为一场革命，有助于实现真正的“微创化手术"。能够代替扶镜手的机器人持镜系统是腹腔镜机器人系统最早的研究对象。美国C

4、omputerMotion公司于1991年报道16】首例腹腔镜机器人系统的雏形，1994年包含机器人持镜系统及辅助机械臂的AESOP(AutomatedEndoscopicSystem山东大学硕七学何论文forOptionalPositioning，伊索)系统正式获得FDA批准，并于1998年报道首次应用于临床，成功完成了第一例腹腔镜胆囊切除术ll们。最新的AESOPHR系统为声控，持镜机械臂具有七个自由度的活动，不仅满足了术者对手术视野的要求，而且通过声控的HETMES中心控制与手术有关的其他设施，增强了术者对整个手术环境

5、的控制能力。至2002年AESOP的售量已超过800台，在此系统帮助下全世界600家以上医院已完成175，000例以上手术【111。持镜系统尚包括英国的EndoAssistant系统，利用置于术者头部的红外线传感器指导镜头的运动【l21，德国的SGCCS系统采用腹腔镜手术器械上安装特殊标志示踪的方法【13l。1998年日本也研制成功了包含自动伸缩镜头装置(AutomaticMicrozoomLaparoscope)及Head．Mouse的Naviot系统【141，可以代替其他腹腔镜机器人摄像系统的进退操作。这些系统都可替代持

6、镜手的工作，实现术者对于手术视野的自我控制能力。据测试，各种持镜机器人系统仍然以AESOP系统最优，在斜线动作及复杂的三维动作中性能明显优于其他系统【l5。。完整意义上的腹腔镜机器人系统ZEUS系统的开发基于AESOP持镜系统【16J。该系统由一个控制台和三条独立的机器臂组成。左右两条机器臂可操作4mm的手术器械，中间机械臂是AESOP声控持镜臂。该系统的手术器械有两种，一是传统的长直杆腔镜手术器械，另一是带一个关节腕的手术器械，具有6个方向的活动自由度(传统器械的5个自由度和关节腕左右方向的1个自由度)。外科医生可坐在操作

7、台前，观看着电视屏幕，操作着符合人体工程学设计、具有最大灵巧性和舒适度的两个卵形控制器来控制机器臂完成手术。该系统的术野常规是两维，但可使用VISTA技术来获得三维术野Il¨。达芬奇手术机器人系统由三个基本部分组成，即一个控制台、一个装配双光源／双3晶片摄像机的成像车和一个装有三个机械臂的可移动操作车。两条机械臂可操作8mm手术器械。摄像臂包含双摄像机可形成双眼视觉的三维立体图像。该系统手术器械上的关节腕有两个关节，具有7个方向的活动自由度(常规器械的5个自由度和关节腕左右、上下方向的2个自由度)。外科医生坐在控制台前，头靠

8、在视野框上，双眼接受来自不同摄像机的完整图像，共同合成术野的三维立体图。医生双手控制操作杆，手部动作传达到机械臂的尖端，完成手术操作。4第一章绪论1．2．2国内研究现状国内近几年针对外科手术机器人的研制已起步，并在脑外科手术、神经外科手术、腹腔腹腔镜手术、整形外科手术、胃肠道检测等方面开展