心血管微创介入手术机器人系统研究

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微创血管介入手术因其创伤小、安全性高、患者痛苦轻、术后恢复快、并发症少等特点,成为医学界公认的治疗心血管病的重要手段。微创血管介入手术的不断推广及应用,必然带来微创血管介入手术机器人的研究热潮。本课题主要针对心脏血管栓塞的诊断和治疗,在查阅了大量相关文献的基础上,研制了心血管微创介入手术机器人系统样机,分析了定位机械臂的柔顺操控方法以及推进机构的主从操作方式,最后进行了相关的实验研究。首先,分析心脏血管栓塞的机理,现有的治疗方法以及介入手术治疗过程中医生的操作动作,结合医生的操作流程,提出心血管微创介入手术机器人系统设计需求,给出系统的组成以及各组成部分的功能。其次,对心血管介入手术机器人系统中的两个重要组成部分(定位机械臂和推进机构)进行详细的机械结构设计与分析,给出具体设计参数。结合主被动定位机械臂的优缺点,对主动和被动两套定位机械臂方案分别进行设计。被动机械臂采用单报闸锁定多关节的方式实现机械臂的自锁,避免了多报闸带来的累积间隙误差。模仿人手的推进和捻旋操作方式,设计一种新型的导管/导丝推进机构,实现导管/导丝/球囊/支架的递送,满足清洗消毒、人工实时干预、导丝前端阻力测定等项目指标要求,能够辅助医生完成介入手术。再者,对主动定位机械臂的操控方法进行分析。设计一种借助操作六维力传感器实现对机械臂的操控方式。人操作传感器,传感器读取人的操作意图,将其转化为六维信号输出,将该信号转化为机械臂各关节的转角信号来实现对主动机械臂的柔顺操控,避免主动机械臂惯有的程序化定位问题,使操作更灵活方便。然后,设计推进机构的主从操作系统,操作者可以在远端操控推进机构完成对导管/导丝等器械的推进和捻旋,大大减少手术过程中对医生的辐射,降低医生的劳动强度。并对力反馈的实现方法进行设计和分析,实现远程操作医生的力觉临场感,进一步增强系统的可靠性。最后,搭建心血管微创介入手术机器人系统实验平台,对定位机械臂的操作,推进机构送丝的精度和可靠性,进行相关实验验证,证明了系统设计的合理性和可行性。最终,进行动物血管介入手术实验,结果表明本文所研制的心血管微创介入手术机器人系统能够辅助医生完成预期的血管介入手术。
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