济南大学毕业设计毕业设计题 目 介入手术医疗机器人末端 执行器设计 1 前言随着社会的进步和科技水平的不断提高，人类对自身的健康给予了越来越多的关注。这使得医生不仅要在传统生理医学有所成就，还要学习应用医疗机器人，这为医疗机器人的研究提供了客观条件。微创医疗机器人具有手术创伤小、痛苦少、操作方便、定位精度高等优点，因此得到了广大医生的认可，具有广阔的应用前景1。据世界卫生组织调查统计，心脑血管疾病是人类疾病死亡的第一“杀手”，我国每年死于这类疾病的患者有300多万。因而血管介入手术的发展对患者来说至关重要。血管介入手术：医生在血管造影成像（DSA）系统2的引导下，操控导管在人体血管内运动，达到栓塞畸形血管、溶解血栓和扩张狭窄血管等治疗目的。介入医学与外科学、内科学并称为三大医疗技术，是医学中最年轻而又发展最快的一门学科。传统的血管介入手术需要医生徒手操作：稳定性差，手工操作抖动；X-Ray辐射，平均照射时间17分钟；间断性监控具有潜在性风险；操作技巧性强，培训时间长等种种因素影响患者生存质量，限制了血管介入手术的广泛应用。先进的血管介入手术由机器人辅助操作: 运动精度、定位精度高；刚性、稳定性好；远程操作，避免辐射；利用VR技术，开展培训。因此研究介入手术医疗机器人对于广大心血管疾病患者来说具有重要的意义。2 课题综述2.1 介入手术医疗机器人的研究意义随着科技的不断进步，医疗技术也在不断的发展，现代的外科手术是朝着无创、微创方向发展，介入手术代替了过去的“开放式”手术，实现了微小创伤的治疗。但是传统的血管介入手术需要医生徒手操作，有时间长，辐射大，培训成本高等缺点，严重影响了患者的生存质量。如图2-1所示，就是传统的血管介入手术，医生需要长时间徒手操作，对医生的技术水平要求较高；同时因为在射线下工作，对医生的的身体伤害很大。这些都严重限制了血管介入手术的发展。本文将医疗机器人技术应用于血管介入手术中，医生可以遥控操作医疗机器人进行临床手术，并可简化医生的手术培训工作。开展医疗机器人手术系统的研究和临床应用，可以增强手术的动态可视化、简化手术操作过程、提高手术成功率、减少手术过程中患者的痛苦、缩短病人的康复周期等方面发挥重要的作用。综上所述开展介入手术医疗机器人的研究具有重要的实际意义，而且对于医疗技术的进步乃至人类社会的发展都起到至关重要的作用。图2-1 血管介入手术2.2 介入手术医疗机器人的发展前景随着生活水平的提高与人口老龄化的日益严重，我国每年都会新增数百万各类血管疾病患者。在现有的医疗条件下血管介入手术是患者最好的选择，血管介入手术范畴包括三类：（1）外周介入：周围血管疾病，如肿瘤的动脉化疗、动脉狭窄的扩张；（2）心脏介入：心血管疾病，如冠心病支架成型，先心病封堵；（3）神经介入：脑血管疾病，如脑动脉瘤栓塞、脑梗塞。因而介入医学成为了与外科学、内科学并称的三大医疗技术，是医学中最年轻而发展又最快的一门学科3。但是传统的血管介入手术缺点太多，成本过高，极大的限制了其在实际生活中的应用。因而无论是患者还是医生都对血管介入手术医疗机器人技术表现出极大的热情，希望引入机器人技术，使医生避免手术中的辐射伤害，让患者减少痛苦，提高生存质量。西方某些发达国家非常重视医疗外科机器人的研究，并迅速推进其产业化。美国的Stereotaxis公司与西门子公司在十年前就开始研究介入手术医疗机器人，并且已经推出了数字平板磁导航血管造影系统4，用于血管介入性心血管疾病的治疗。2008年全球血管介入手术方面的治疗费用大约为110亿美元，中国占到了3035 亿美元。欧洲有近18 亿美元的市场需求，美国则接近29亿美元。然而，我国现有的血管介入手术系统无法满足国内的需求。因此，我们从国情出发，研究医疗机器人与介入手术结合的技术，充分符合国情，具有广阔的发展空间与重要的实际意义。2.3 介入手术医疗机器人的发展现状2.3.1 医疗机器人的概述医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，具有重要的研究价值，在实际运用上有着广泛的应用前景，是目前机器人领域的一个新的研究热点。机器人有两个突出的优点：一是它能够代替人类工作，代替人进行简单的重复劳动，代替人在混乱和危险的环境下工作；二是扩展人类的能力，它可以做到人很难做到的高细微精密的作业，以及超高速作业等。医疗机器人正是集中了机器人的这两个优点。而同时，医疗机器人还有其自身的选位准确、动作精细、避免病人感染等优点。譬如：在血管缝合手术时，人工很难进行细于1毫米以下的血管缝合，如果使用医疗机器人，血管缝合手术可以达到小于01毫米的精度；用医疗机器人进行手术避免了医生直接接触患者的血液，大大减少了患者的感染危险。目前, 已经有部分医疗机器人, 尤其是外科手术机器人, 开始从研究阶段走向临床商业应用阶段。医疗机器人技术的发展不仅在医学领域具有重要的意义, 为传统医学带来了极大的变革, 而且已经作为一种产业成为世界经济新的增长点, 因而受到了世界各国的重视。针对医疗机器人的研究也正处在不断的进步和发展之中。本文主要研究血管介入手术医疗机器人，血管介入手术是指医生在数字减影血管造影成像系统的导引下，操控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。与传统手术相比，介入手术无需开刀5，具有出血少、痛苦少、操作方便、定位精度高等优点。2.3.2 国外的研究现状及发展趋势与医疗机器人在其他类手术的应用上相比，血管介入手术医疗机器人的起步较晚，接近21世纪人们的才开始进行研究。受到当时科技条件限制，研究只限于实验阶段，没有达到临床应用阶段。但是此后几年，人们将越来越多的关注转移到了血管介入手术医疗机器人上，促进了此研究的飞速发展。2006年，日本名古屋大学设计出血管介入手术机器人。同年以色列海法医学院开发的心血管介入手术机器人进行实验。如图2-2所示便是Beyar开发出来的心血管介入手术的微创机器人。这是世界上第一套用于临床实验的血管介入手术机器人系统。2007年，英国汉森科技公司设计出主从血管介入手术机器人。如图2-3所示。图2-2 Beyar 心血管介入手术机器人图2-3 Hansen 主从血管介入手术机器人2.3.3 国内的研究现状及发展趋势 与国外相比，国内的血管介入手术医疗机器人研究起步更晚，虽然已经有多家医院具备介入手术的医疗条件，但手术过程中都没有机器人的参与，还停留在靠医生徒手操作导管阶段。目前国内对血管介入手术机器人进行研究的单位较少，主要有哈尔滨工业大学和北京航空航天大学等单位。哈尔滨工业大学机器人研究所6研制出了“象鼻子”柔性臂，这种柔性臂是由五级臂杆串联而成。北京航空航天大学机器人研究所研制了BUAA-RR七自由度冗余机器人，如图2-4 所示，其机构是在六自由度机器人的基础上增加了一个回转自由度，利用此特性，可以完成更多的灵活操作，例如避开机器人的内部奇异位形、躲避操作空间障碍、克服关节角限制、实现运动学优化控制等。图2-4 BUAA-RR 七自由度冗余机器人2.4 介入手术医疗机器人末端执行器设计要求血管介入手术医疗机器人是在原有脑立体定向外科机器人的基础上，以血管介入手术为使用背景，研制出的一种机器人辅助系统，用于帮助医生完成血管介入手术，实现导管运动自动化，并对其进行遥控操作。介入手术在数字减影血管造影机（DSA）下进行，由于手术室的辐射较大及手术空间有限等因素，因此机器人末端执行器应满足以下要求：1）机器人末端执行器能在手术室内灵活移动，拆装方便，术后不占用手术室空间；2）机器人末端执行器能够实现对导管平稳的推进和旋转；3）机器人末端执行器应该实时提供所推进导管的实际推进距离；4）机器人末端执行器要具备足够的推进精度，能够将导管准确的送到指定的病灶点；5）机器人末端执行器应该具备适应医学消毒处理等方面的能力；6）机器人系统应该具备远程操作的能力；7）末端执行器的材料不应对DSA扫描产生影响；2.5 课题研究思路本文的研究思路如图2-5所示的结构进行图2-5 课题研究思路3 末端执行器优化设计3.1 机构原理简介血管介入手术属于微创外科手术7，是指医生在先进的数字减影技术的指引下，操控导管在人体的血管内运动，到达病灶实施治疗，实现栓塞畸形血管、溶解血栓、扩张狭窄血管等目的。在手术过程中医生对导管的主要有两个操作动作：一是将导管沿着人体的血管往前推进；二是在血管的分支处旋转导管来选择正确的方向。有时技术熟练及经验丰富的医生会将导管一边旋转一边推进，实现上述两个动作的合成。血管介入手术机器人末端执行器属于医疗外科手术的辅助设备。其主要目的是在辐射环境下辅助医生实现对导管上述的两个操作动作或是两者的合成动作，以实现导管在人体内的推进，达到手术治疗的目的。根据以上的分析，我们设计了一种新型的血管介入手术机器人末端执行器，其主要的驱动原理简图如图3-1所示a.轴向进给与检测机构简图 b.旋转机构驱动简图C图3-1 机构主要运动简图c.整体结构原理图如图3-1a所示，导管的轴向进给运动由滚轮机构实现，旋转运动由齿轮传动机构实现，导管在轴向进给机构上运动时，滚轮由一组传动齿轮驱动，并使在两轮之间的导管通过摩擦传动的方式，实现导管的轴向直线运动，从而实现轴向进给。导管的轴向运动距离检测8也是由滚轮机构实现的，只是检测机构的运动过程与轴向进给机构是相反的，是由滚轮机构将导管的轴向运动通过摩擦的方式转化为滚轮的转动，再通过光电编码器记录滚轮的转动变化实现的。轴向进给模块安装在旋转运动模块上，同时用连杆将检测模块与旋转模块固定在一起，形成一个整体的旋转部件，由主动与从动滚轮实现对导管的双臂把持，由旋转齿轮驱动，实现了导管沿自身轴线的旋转。3.2 机构存在的问题国外血管介入手术机器人的主要问题：机器人导管推进机构复杂，只能单独推进导管，精细操作困难；血管DSA图像提供二维信息，未能实现三维医学图像下的导航；缺少力反馈信息，难以有效的实现医生模拟手术培训。本文中设计血管介入手术机器人末端执行器样机分为三个部分：轴向进给部分、周向旋转部分、码盘检测部分，其机械结构基本实现了导管操作运动的三大基本功能，但是在精度、稳定性及安全性能上仍然存在不少问题。如图3-2所示便是轴向进给部分的虚拟样机。图3-2 机构样机3.3 机械结构的模块化设计模块化设计是从系统的观点出发，研究产品的结构组成，用分解和组合的方法，建立起模块体系，运用模块的组合生成产品。模块化设计是一种标准化设计，组合化设计。对于末端执行器来说，与导管直接接触的零部件主要有三种：一是用于实现导管轴向进给的主动滚轮；二是用于实现导管轴向直线运动距离检测的从动滚轮；三是机构旋转主轴。在对末端执行器的具体结构进行系统设计之后，我们对以上的三种零部件进行了模块化设计9，来满足其在功能上的严格要求。3.3.1 导管轴向进给部件的模块化设计根据导管摩擦传动的推进方式，我们对血管介入手术机器人末端执行器的轴向进给部分进行了系统的模块化设计，并根据方便拆装的基本要求，对其机械机构进行了优化设计。重新设计后的轴向进给部件由步进电机驱动，通过齿轮传动将动力传递到主动滚轮上，然后通过摩擦传动的方式将主动滚轮的转动转化为导管直线进给运动的动力。图3-3 轴向进给机构二维结构图轴向进给部件如图3-3所示，主要包括 1.左侧主动滚轮、2.