基本信息
所属科技项目名称:肺部肿瘤精准穿刺手术机器人研究
项目主管部门:北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会
科技成果信息
科技成果名称:肺部肿瘤精准穿刺手术机器人研究
关键词:穿刺机器人,注册标定,主从控制,力反馈,穿刺建模,呼吸运动
科技成果类型:原始创新
科技成果所处阶段:中试放大
科技成果应用领域:科学研究和技术服务业
科技成果简介:1、成果来源 成果源于北京市科技计划课题肺部肿瘤精准穿刺手术机器人研究,其主要研究内容包括:(1)机器人穿刺力学交互作用机理与操控技术研究;(2)术中信息融合感知与实时导航技术研究;(3)人体呼吸运动预测及建模方法;(4)基于力感知操控的CT引导穿刺机器人系统研发;(5)穿刺诊疗手术机器人系统试验验证。 2、技术原理 课题组围绕机器人穿刺力学交互作用机理与操控技术、术中信息融合感知与实时导航技术、人体呼吸运动预测及建模方法、基于力感知操控的CT引导穿刺机器人系统四个方面进行了重点研究。首先,基于对针与软组织交互力学影响因素的分析,建立了柔性手术针与软组织交互的综合数学模型;然后,利用术前CT扫描数据对人体建立了虚拟三维模型,并采用CT透视图像导航,通过标记点在机器人和图像中的位置坐标将机器人从操作臂的工作空间和图像空间进行了配准;再后,对人体的呼吸数据进行了采集,建立了呼吸运动数学模型,帮助把控穿刺时机;最后,设计研发了6自由度主从操控的小型化、高刚度、低伪影的穿刺机器人系统,模拟实现了CT透视导航下主从操控机器人体模穿刺实验。 3、技术指标 理论方面,本课题突破了穿刺力学交互作用机理,建立了穿刺针与软组织交互的数学模型。构建了人体呼吸运动模型,准确预测了受试者的呼吸运动,为穿刺时刻的精准把握提供了依据。 技术与系统方面,本课题已设计并制备了一套肺穿刺诊疗手术机器人系统,医生可以在CT透视实时图像引导下主从操控机器人实施穿刺手术,解决了穿刺手术中“看不见”和“穿不准”两大难题。设计了一种适用于CT透视实时影像设备的机器人注册方法,实现了穿刺机器人与CT透视实时影像设备的注册。研制了一套针适用于针穿刺手术操作的具备力反馈能力的主手控制器,具备穿刺力反馈能力。设计了一套三维重建与机器人手术导航软件,实现了CT图像重建、机器人注册及自动定位、手术全景监控功能。 考核指标方面,本课题已研制肺穿刺诊疗手术机器人产品样机1套,主要模块包括穿刺手术机器人、主手控制器、配套手术辅助软件。手术机器人具备6个自由度,其中穿刺自由度可提供不小于50N的穿刺力,机器人的综合定位精度达到2.5mm,穿刺力反馈精度达到0.5N,满足肺穿刺手术临床使用需求。课题依托中国人民解放军总医院进行手术机器人系统的临床测试和应用推广。 4、应用前景 科学与技术层面:本课题以穿刺手术为背景,针对现行穿刺手术中存在的不足及其对机器人的穿刺操控临床需求展开研究。突破了穿刺针与软组织的交互作用机理,建立了呼吸运动预测模型,并结合术中CT透视实时影像实现术区环境、穿刺针的可视化。建立了穿刺针精确主从控制方法。课题涉及到生物医学、机器人技术等多种学科,有着重要的科学理论意义,为医用机器人实现高精度靶向穿刺提供了部分基础理论与关键技术。 技术与系统层面:本课题研发肺肿瘤精准穿刺手术机器人,综合医生经验、灵活性与机器人的高精度的优势,促进手术效率与效果的提升,对提升我国医疗装备的技术水平起到强有力的推动作用。
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