本项技术革新涉及腹腔镜手术领域,详细描述了一种集成导纳控制器的腹腔镜手术机器人方法及其系统。该系统通过机器人技术实现了在RCM约束条件下对腹腔镜姿态的精确控制,并能够捕捉并响应医生施加的关节力矩,以提高手术的精确度和安全性。
背景技术
在传统的腹腔微创手术中,外科医生首先使用手术器械在患者腹部钻出若干个微小的切口,使细长的手术器械的一端能够通过切口到达患者的内脏器官附近,手术器械的另一端则由外科医生进行操作。腹腔镜是腹腔手术中必不可少的医疗器械,可经过RCM点伸入患者腹腔内为主刀医生提供视野。为了配合主刀医生的手术进程,需要一位持镜助手持续调整腹腔镜姿态和镜头到器官的距离,从而提供一个合适、良好的视野以保证手术的顺利进行。但在实际手术过程中,存在有以下几点问题:(1)当长时间的手术过程中,持镜医生就会出现生理性抖动或小幅度运镜,这给腹腔微创手术带来了干扰和挑战。(2)难以做到频繁细微移动腹腔镜,当主刀医生需要细微操作时无法保证能提供最合适的视野。(3)手持腹腔镜会对患者腹部切口产生切向力,导致伤口扩大甚至危及病人生命安全。
为了解决上述问题,Kim在文章“Design of a compact 5-DOF surgical robotof a spherical mechanism”中设计了一个始终满足RCM约束的串联式球面机构,可以使机构末端的器械始终保持RCM约束,避免对切口产生切力,从而提高手术安全程度。Azimian在文章“On constrained manipulation in robotics-assisted minimally invasivesurgery”中采用了一种任务优先级的方法,即RCM约束位于第一优先级,第二优先级是通过工具尖端进行轨迹跟踪,该系统在维持RCM约束的同时能为主刀医生提供更合适的视野。From推导了一个新的雅可比矩阵并称为RCM雅可比矩阵,从控制回路中消除运动学约束,进而通过笛卡尔阻抗控制以安全执行任务。
但Kim设计的机构会占用大量的手术空间,会对主刀医生的操作产生干扰,并且该机构仅存在5个自由度难以实现RCM约束以外的其他控制任务。而Azimian的方法仅采用位置控制,会导致在刚性相互作用的情况下产生较大的接触力,这会对腹腔微创手术产生安全隐患。此外,现有技术中仅能保证末端执行器在接触外部环境时做出反馈,这会导致手术过程中仅能通过移动末端才能实现运镜,需要医生具备准确的空间认知,并且难以通过移动末端执行器来实现期望的机器人姿态。
实现思路