PDF《主从式胃镜介入机器人系统》

gastroscope intervention;

master-slave robot;

inverse kinematic analysis

1 引言(Introduction) 消化道疾病是临床上最多见的一类疾病.良性 疾病如胃食管反流病、胃溃疡、十二指肠溃疡、胃 炎等,恶性疾病如食管癌、胃癌、结肠癌等,这些 疾病已广为人知.据世界卫生组织统计,全球有 70% 左右的人患有不同程度的各种消化道疾病.自从20 世纪

60 年代光纤应用在柔性内窥镜中,胃镜 已成为诊断与治疗上消化道疾病的重要工具 [1] .胃 镜检查是指医生使用柔性胃镜由口或鼻入路,经食 道入胃通过镜体末端镜头拍摄图像判断食道、胃以 及十二指肠是否有溃疡或者息肉等病灶,并可通过 基金项目:国家科技支撑计划资助项目(2012BAI14B03) ;

机器人学国家重点实验室自主课题(2013-Z10) . 通信作者:刘浩、杨云生,[email protected] 收稿/ 录用/ 修回:2015-05-30/2015-10-28/2015-11-19

108 机器人2016 年1月镜体内工作腔道输送器械如活检钳、电切刀等对病 灶进行组织活检与手术治疗 [2-4] ,达到直观和微创 治疗的目的,是其他检查方法包括钡剂造影、胃电 图与胃肠道彩超都无法替代的.但在胃镜的诊断治 疗中,尚存在一些问题亟待解决:(1) 胃镜检查对 医生的操作要求高,需要对医生进行专门的培训并 且培训周期长,个体操作误差大;

(2) 我国消化道 疾病患者众多,而训练有素的医生严重不足,超强 度的工作危害着医生的身体健康;

(3) 部分胃镜介 入治疗手术使用 X 射线图像进行引导,射线辐射以 及胃肠液的污染威胁着医生的身心健康,也使工作 效率大大下降. 目前医疗微创介入手术机器人已成为机器人技 术应用领域的一大研究热点.最成功的当属达芬 奇手术机器人系统 [5] ,其通过主从控制实现腹腔镜 微创手术的远程操作.与腹腔镜器械不同的是,胃 镜为柔性镜体,其操作控制更加复杂.在机器人柔 性内镜介入领域,Invendo Medical、Era Endoscopy Srl、GI View Ltd 等公司都研制了机器人肠镜系统, 但它们的主要工作以肠镜结构改造为主,只能使用 系统配套的特定肠镜作为操作对象 [6-8] ,这大大增 加了临床应用的成本;

在临床消化道疾病的诊断过 程中,昂贵的内镜依然是不可取代的.采用上述机 器人系统会增加医院采购成本与病人的诊疗费用, 并且广泛应用的内镜系统市场投入巨大,可以预见 传统消化道内镜仍无法被取代. 国际上已有少数几家单位开展了柔性消化道 内镜机器人介入操作的研究.由德国 ECE Medical Products 公司研制的 Endodrive 专用于传统肠镜的 送入与撤出操作,但旋转及弯曲等动作仍需手动 完成.法国斯特拉斯堡大学的 Allemann 等人使用 手柄作为主端设计了一款简易的胃镜操作器 [9] ,用 于控制胃镜的大小拨轮实现末端的弯曲控制,但 未考虑胃镜的介入、旋转等操作.日本产业医科大 学的 Kume [10] 等研制的 Endoscopic Operation Robot (EOR)通过

2 个主端手柄控制镜体的介入与操作, 但是该系统过于庞大,未充分考虑杀菌消毒需求, 距离临床应用还有很长一段距离.荷兰屯特大学的 Ruiter [11-12] 等研制的用于消化道内镜辅助介入操作 的机器人系统使用手柄或触摸屏作为主端控制装 置,分别通过输送器与操作器实现镜体的介入末端 的弯曲;

但是该机器人未考虑操作部的跟随与旋转 功能,这将限制胃镜的介入长度及其旋转功能.国 内北京航空航天大学的王党校 [13] 等初步研制了一 款用于纤维内镜的机器人系统,该系统只能进行胃 镜手柄的操作,进镜与旋转仍需手动完成,反而一 定程度上增加了操作难度,难以应用在临床上. 为此,本文从临床需求出发,提出一套可辅助 医生进行远程胃镜介入操作的机器人系统,将医生 从现场解放出来,并提高操作的精度.