心血管微創介入手術機器人推進機構的關鍵技術研究

朱興偉

（安徽醫學高等?？茖W校基礎部，合肥230601）

心血管微創介入手術機器人推進機構的關鍵技術研究

朱興偉

（安徽醫學高等?？茖W?；A部，合肥230601）

推進機構設計作為心血管微創介入手術機器人的重要部分，其可靠性直接影響了所設計手術機器人系統的精度和準確性。通過對心血管微創介入手術機器人推進機構的分析，模仿人手的推進和捻旋操作方式，設計一種新型的導管、導絲推進機構，實現導管、導絲、球囊、支架的遞送，以達到輔助醫生完成介入手術的目的。并設計了推進機構的主從操作系統，操作者可以在遠端操控推進機構完成對導管、導絲等器械的推進和捻旋，大大減少手術過程中對醫生的輻射，降低醫生的勞動強度。并對力反饋的實現方法進行設計和分析，實現遠程操作醫生的力覺臨場感，進一步增強系統的可靠性。

心血管介入；手術機器人；推進機構；主從控制

0 前言

微創血管介入手術機器人的使用可以代替醫生一部分的勞動，降低醫生的勞動強度，解放部分醫生，還可以緩解介入手術對醫生的需求，解決了專業醫生少的問題，手術精度和準確性的提高也將大大提高手術的效率和治愈率。由于其工作環境和工作狀態的特殊性，此項研究必然也是一個具有挑戰性的課題。在心血管微創介入手術中，將導管／導絲插入到特定的分支血管，將球囊、支架遞送到栓塞部位是整個手術的關鍵步驟，也是設計推進機構所必需解決的關鍵問題，所以，推進機構的研究是關鍵問題之一。本文的設計是在現有研究成果的基礎上，結合現有機構的優缺點，提出一種完全創新的，能夠代替醫生將手術用導管、導絲、球囊、支架遞送到預定位置的推進機構。

1 推進機構設計與分析

1．1 推進機構介紹

醫生在操作手術的過程中，導絲的旋轉是通過醫生手動搓捻實現的。而現有的機器人推進系統大都采用夾持導絲部件的自身旋轉來帶動所夾持的導絲轉動。本文研制的推進機構，如圖1所示。借助夾持導管導絲機構自身的整體轉動來帶動所夾持的導管導絲的旋轉，達到改變導管導絲彎頭方向的目的。為有效地避免在整體旋轉過程中的纏線問題，該機構在下固定板上安裝有導電滑環。

圖1 推進機構整體結構圖

從人工手動搓捻導絲的動作中得到啟發，設計可以相對運動的兩部件來夾緊介入器械上下搓動，完成對介入器械的捻旋動作，以達到接近實際操作的目的。捻旋原理如圖2所示。

圖2 捻旋原理

1．2 推進機構設計與分析

設計的推進機構由導管夾持指、移動指、旋轉指3個指組成，如圖3所示。導管夾持指位于推進機構的最前端，用于固定首次送入血管內的導管，為后續的送絲鋪好道路；移動指位于中間，用于夾持導管、導絲軸向給進；旋轉指位于最后端，用于捻旋導管、導絲周向旋轉。移動指和旋轉指協調動作，實現導管、導絲的軸向、旋轉推進。

圖3 推進機構虛擬樣機

1．2．1 移動動作實現

如圖4所示，推送導管導絲在患者血管內運動的裝置是由電機驅動，經過一對嚙合的齒輪減速將動力傳遞給絲杠，絲杠轉動帶動與其嚙合的絲杠螺母前后移動，進而實現與絲杠螺母相連的移動體夾持著導管導絲移動。

圖4 移動指動作原理

1．2．2 捻旋動作的實現

捻旋動作的實現是通過兩平行平面壓緊導絲并沿導絲的切線方向做相對運動完成的。為避免兩平行面相對運動的不同步，并且為便于控制，采用一個電機驅動，實現兩平行面能夠做同步的相對運動。

1．2．3 球囊／支架的遞送

為實現球囊／支架的遞送，本文設計考慮將遞送部件和壓絲部件連接在一起，并采用滾輪壓絲的辦法，實現壓絲部件在壓絲的過程中跟隨遞送部件移動。遞送原理如圖5所示。移動指部件能夠實現在送入與抽出球囊與支架時按壓住導引導絲，使其位置不發生變動，保證后續的導引功能。

1．2．4 導絲力的測定與分析

為使機器人系統能夠更好地輔助醫生進行手術，需要增加一定的傳感系統用于檢測和反饋末端執行器的工作環境和狀態，本機器人系統增加了力反饋功能進而使操作者能夠更準確更真實地感知末端環境，即使操作醫生不直接操作導管導絲，也能有一定的力覺臨場感。

圖5 球囊、支架遞送原理

為了使力的測定更準確，不受機構自身傳動和摩擦的影響，采用圖6所示杠桿的原理來測力，使導絲受到的阻力與傳感器觸頭受到的壓力成杠桿的關系。移動指上安裝有力傳感器，用于檢測導管前進時的阻力。導管前進方向的阻力通過杠桿原理裝置的設計被轉化為傳感器的壓力，形成1∶1的對應關系，可以方便讀取阻力信息。

圖6 測力原理

1．2．5 人工干預功能實現

為保證手術的安全可靠，借助機器人進行的手術，需要能夠實現實時的人工干預，以應對各種諸如結構故障，控制失利等緊急情況。本課題設計的推進裝置，其夾持介入器械的夾持力是靠彈簧提供的，當緊急情況發生，需要迅速停止介入動作時，人工可以直接打開移動部件的夾持指，使介入器械脫離機構，機構自身的運動將不影響手術，將機構撤離手術臺，介入器械的介入將根據實際情況改為人工操作。

2 推進機構主從控制方式

根據心臟血管微創介入手術的操作及環境要求，手術的操作首先要保證機器人動作的可靠性和可控性，在此基礎上考慮操作的舒適性和減少醫生的操作負擔，減少醫生因疲勞而產生的手術失誤，減少手術輻射對醫生和患者的危害，提高手術的成功率。結合現有介入手術機器人的研究情況，本文所設計的介入手術機器人系統同樣采用了主從控制的操作方式，主從操作系統由操作裝置構成的主手控制系統和由推進機構構成的從手操作系統組成。本系統的主從系統操作方案如圖7所示。

2．1 移動動作

如圖8所示，同步傳動帶通過夾板與手柄相連，跟隨其運動。設單個采樣周期內，手柄的移動距離為Pzy，帶輪的半徑為R1，編碼器記錄脈沖數為nzy，所選編碼器的分辨率為ry，電機的減速比為iy，則有關系式：

將上述的編碼器脈沖數乘以一個比例系數ky作為推進機構移動指電機的位置控制指令，驅動移動電機轉動，電機帶動一對嚙合的齒輪轉動，從動齒輪驅動絲杠轉動，絲杠螺母沿絲杠移動，推進機構的移動指安裝在螺母上，進而開始隨之移動，完成送管動作。單個采樣時間段內送管距離可表達為：

式中：rg為推進機構移動電機編碼器的分辨率為減速比；S為絲杠導程（mm）。

通過改變ky值來改變主手和從手兩移動距離之間的對應關系，實現快速遞送，緩慢遞送和微調多檔遞送速度。各個檔之間的轉換通過操作液晶顯示屏上的控制按鈕實現。

圖8 操作裝置內部傳動結構

2．2 旋轉動作

同樣，操作者轉動手輪，設轉角為θzz，手輪內連接的旋轉編碼器輸出的脈沖數為nzz，編碼器的分辨率為rz，有關系式：

通過改變比例系數kz的值改變兩角度的對應關系，實現多檔控制，檔位的改變同樣通過操作液晶顯示屏上的控制按鈕來完成。

2．3 力感覺實現原理

推進機構移動指上安裝的力傳感器可以檢測介入導絲／球囊支架等醫療器械前端的阻力，檢測該阻力的目的是讓操作者能夠感受并及時作出相應反應。因此，將阻力反饋給操作者是實現力感覺的必要步驟。

本主從操作系統中力反饋是借助電機反轉電流產生的反轉力矩作用在人手上來實現的。具體實現方法介紹如下：力傳感器檢測到的力信號通過信號采集裝置傳送給控制系統，控制系統根據傳送來的信號采集力信號突變的時刻點以及突變程度，突變時刻點作為力反饋的時刻點，突變程度決定了反饋力的大小。力反饋過程中力的轉化方式如圖9所示。

對應從手旋轉指捻旋導管、導絲的轉角可表示為：

圖9 反饋力的轉化方式

3 結語

本文針對心血管微創介入手術機器人系統中的推進機構進行了設計和分析，對導管、導絲等的推進機構進行了設計與分析。滿足其推送和捻旋導管、導絲的功能要求，設計的球囊壓絲器可以保證在球囊／支架推進和抽出的過程中導引導絲的位置固定不動，保證手術精度。并根據推進機構以及其操作裝置二者之間的主從操作方法，給出了主從裝置之間移動和捻旋兩個動作各自的映射關系，操作裝置實時控制推進機構動作，避免醫生現場操作受到過多的影響。為心血管微創介入手術機器人系統的實用化奠定了理論與技術基礎。

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The Key Technology Research on Cardiovascular Minimally Invasive Surgery Robot Feed Mechanism

ZHU Xing－wei
（Department of Basic Courses，Anhui Medical College，Hefei 230601，China）

Feed mechanism design is as an important part of cardiovascular minimally invasive surgery robot，and its reliability directly affects the precision and accuracy of surgery robot system design．In this paper，the cardiovascular minimally invasive surgery robot feed mechanism analysis has been made．By imitating the feed of ahand and twist operation mode，a new type of catheter，guide wire feed mechanism has been designed to realize the delivery among catheter，guide wire，balloon，and trestle，with the purpose to assist the doctor to achieve complete intervention operation，as well the master－slave operation system of the feed mechanism has been designed．The operator can manipulate in remote end to finish the feed mechanism and twisting of catheter，guide wire，and other equipment，which greatly reduces the radiation to the doctor in operation，reduces the labor intensity of the doctors．The implementation method to force feedback has been designed and analyzed to realize force telepresence of the remote operation doctor，and further enhance the reliability of this system．

cardiovascular interventional；surgical robots；feed mechanism；master－slave control

TP242

A

1009－8984（2016）02－0103－04

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．026

2015－12－14

朱興偉（1982－），男（漢），安徽潛山，碩士主要研究生物醫學工程與醫療器械。