鼻部连续体微创手术机器人系统的设计与实现

【作 者】周媛 ，洪武洲，谢叻，冯帆，梁海婷，罗丹，李克勇，楼斌斌

1 南京医科大学附属上海一院临床医学院，上海市，200080

2 上海交通大学附属第一人民医院，上海市，200080

3 上海交通大学 塑性成形技术与装备研究院，上海市，200030

0 引言

鼻腔鼻窦疾病是耳鼻咽喉科的常见病，其对呼吸系统、消化系统及神经系统的生理功能均可能产生不良影响[1]。鼻窦中，由于上颌窦自身复杂的解剖形态，更易遭受侵害。目前的鼻科手术器械均存在直径过粗、操作精度不够等诸多缺陷，往往会存在视觉和操作盲区，导致术后疾病的高复发率，对于恶性肿瘤来说，也会导致致命的不良后果。为此本研究根据临床手术需求研发了一种能够适应鼻腔上颌窦异形空间的鼻部连续体微创手术机器人，它可到达的距离及弯曲角度能满足整个鼻腔上颌窦的操作要求。

机器人辅助微创手术具有术口小、出血少、愈合快等优点，因此各种辅助临床的手术机器人系统日益受到国内外学者的研究关注[2-3]。YOON等[4]开发了以弹簧为骨架的连续体机器人进行鼻窦手术，只含有内窥镜，虽可以多角度显示术野情况，但其最大弯曲为180o，仍然无法到达某些操作死角，不能进行有效的手术操作。HONG等[5]初步开发了上颌窦单段式连续机器人，利用镍钛合金作为骨架，弯曲角度可达±270o，但其只能进行平面弯曲，缺乏一定的空间灵活性。上述机器人都有不足之处，仍有巨大的改进空间。

本团队研究的机器人是一种新型的仿生机器人，通过模仿自然界中某些动物自身变形来实现运动和抓取的目的，具有高灵活性、高安全性的特点，适用于相对密闭的手术环境，克服了传统鼻内镜操作的局限性，在一定程度上提高了手术的成功率[6-7]。

1 机器人辅助鼻腔上颌窦微创手术的需求分析

1.1 鼻腔上颌窦解剖结构分析

鼻孔开口的平均直径约为12 mm，鼻腔空间大致为三维立体穹顶矩形，外侧有三个鼻甲突出，其间有三个鼻道，鼻孔至上颌窦口的距离为（47.98±4.27）mm[8]。上颌窦平均长度为（39.3±4.2）mm，宽度为（32.6±6.5）mm，高度为（37.1±5.6）mm[9]。上颌窦形状不一，分居左右各一，如图1所示。窦口口径约为3～9 mm[10]，且位于其他副鼻窦开口之下，不利于通气引流，分泌物易顺流侵入上颌窦造成致病隐患。由于上颌窦窦腔不规则的生理特性，尤其是泪前隐窝、齿槽隐窝、颧隐窝的存在，所以应用目前的常规鼻科手术器械，无法彻底清理这些区域的病灶。

图1 上颌窦正面示意Fig.1 Frontal view of the maxillary sinus

1.2 鼻部连续体微创手术机器人的设计原则

根据鼻腔上颌窦的结构分析，提出设计原则如下：

（1）机器人应具有较高的灵活性，可以弯曲和旋转，操作范围覆盖整个鼻腔上颌窦。

（2）机器人要足够轻巧，进入鼻腔上颌窦的外径尺寸不超过10 mm，驱动器安装于体外，以减小手术操作中的运动惯性，避免造成周围组织损伤。

（3）机器人需要进行模块化设计，便于在手术过程中快速更换不同的末端执行器（例如，咬切钳和电凝刀）。

（4）机器人需要具备内窥镜成像系统来进行实时监测，提高视觉反馈功能。

（5）机器人需要建立人机交互平台，能够准确检测与传输医生的动作指令，控制连续体机械从手的操作。

2 连续体机械从手的关键设计

连续体机械从手结构，如图2所示。从手的直径为4.0 mm，以超弹的镍钛管作为骨架，采用球窝关节连接，包括两段可弯曲的连续体结构，主要技术参数如表1所示。靠近后置驱动电机的关节为近端段（proximal segment,PS），平面弯曲可达235o。与末端执行器相连的关节为远端段（distal segment,DS），可在三维空间任意方向弯曲90o。连续体机械从手总共有5个自由度：整体旋转（1个自由度）、近端段连续体的平面弯曲（1个自由度）、远端段连续体的空间弯曲（2个自由度）、末端手术器械的开启闭合（1个自由度）。

图2 连续体机械从手结构Fig.2 Structure of the slave continuum manipulator

表1 连续体机械从手主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of the slave continuum manipulator

本研究采用5个相同的Maxon电机，具体型号为RE16电机+GP16C减速器+MR32编码器，如图3(a)所示。电机1控制连续体机械臂的整体旋转，电机2控制近端段连续体的平面弯曲，电机3控制末端夹钳的开合运动，电机4控制远端段连续体的左右弯曲，电机5控制远端段连续体的上下弯曲。此外，采用5个对应的Maxon电机控制器，具体型号是EPOS 24/2，如图3(b)所示。主端操控设备的输入命令通过电机控制器会向电机生成信号，不同的控制模式下多个电机可同时转动改变连续体机械从手的动作。研究的从手采用模块化设计，Maxon电机6及其控制器为后续实验保留使用。

图3 驱动机构Fig.3 Drive mechanism

3 鼻部连续体微创手术机器人整体系统 设计

3.1 硬件系统设计

本手术机器人系统主要包括主端和从端控制设备，如图4所示。

图4 鼻部连续体微创手术机器人控制系统结构Fig.4 Control system frame of the nasal continuum minimally invasive surgical robot system

主端电脑可以通过用户界面实现人机交互。微型电脑主板树莓派具有良好的计算性能，提供丰富的接口，接收输入设备的控制命令，通过通信模块传输到从端控制器上，并经过运动模型转换得到连续体机械从手和UR5e从机械臂的控制变量，同时接收内窥镜的视频图像信息。

3.2 软件设计

基于Linux嵌入式系统设计了主端人机交互控制软件，实现机器人各模块的功能。当系统启动时，执行初始化和连接工作，成功后可以获得主手和其他输入设备的数据，通过交互界面对连续体机械从手和UR5e从机械臂发送控制指令。主端控制流程，如图5(a)所示。

连续机械从手的软件程序是在树莓派上用Thonny应用程序编写运行的，其目的是将输入信号转化为电机控制器可识别的脉冲电流信号，指挥电机转动操纵从手，同时读取控制器发回的脉冲数据，获得电机转动的位置和速度信息，通过WiFi路由器传回主端电脑。连续体机械从手控制流程，如图5(b)所示。

图5 主端人机交互控制软件流程Fig.5 Software flow of human-computer interaction control

4 鼻部连续体微创手术机器人安全控制策略

4.1 主从控制策略

主从控制是机器人远程安全操作的核心部分，划分为两大类：位置映射模式（position mapping mode,PMM）和速度映射模式（velocity mapping mode,VMM）。

位置映射模式主要通过调整位置比例将医生操作主手的位置信息传输到连续体机械从手，利用位移作为控制输入变量，精确地控制从手的末端位置，并实时获取反馈的位姿信息，确保操作任务安全稳定地进行。

当速度映射模式在机器人需要实现大范围的快速移动时，将主端操作中心的位移和方向映射为UR5e从机械臂的速度和方向；当需要做精细操作时，将主手的速度信息传输给连续体机械从手，保证从手在一定时间段内的平均速度与主手的平均速度匹配。

本研究通过位置和速度映射模式集成开发了混合接口，使用脚踩开关实现模式相互切换，提高了手术机器人的控制效率及安全性能。

4.2 视觉和力反馈策略

连续体机械从手末端搭载的柔性医用内窥镜，通过主端显示屏成像反馈给操作医生清晰的视觉信息，指引手术的操作路径，提高了手术的安全性。本研究除了视觉反馈还增加了力觉反馈，可间接反映当前的操作环境，提高医生实际操作机器人系统的临场感受精度。当连续体机械从手运动到解剖结构狭窄的位置，或者误操作触碰到周围组织时，操作阻力会瞬间变大，其在工作环境中感受到的力通过通信模块，将主手产生的弹簧力效应转移到医生手上，同时固定操作医生的点击运动位置，避免进一步破坏鼻腔上颌窦周围结构造成的术后严重并发症。

4.3 医生手抖过滤系统

医生长时间操作会出现手颤抖的生理现象，这会导致机器人系统输入输出信号中夹杂着较大波动的噪声信号，影响主从控制，造成操作的安全隐患。本研究采用了卡尔曼滤波技术，将主手模拟手抖动的数据进行滤波处理，去除噪声，优化还原输入输出的观测数据，解决这些干扰问题。主手卡尔曼滤波处理前后的数据信息，如图6所示，其中横坐标50帧对应时间为 1 s。结果表明经过处理后的主手抖动得到了有效的消除，改善了系统的动态性能及稳定性。

图6 主手不同抖动幅度滤波效果Fig.6 Different jitter amplitude filtering effect of the operation controller

5 实验分析

5.1 主从控制实验

本研究聚焦主从式机器人系统（master-slave robot system），通过组装调试完成了鼻部连续体微创手术机器人系统的原型样机，如图7所示。从端设备（slave device）包括搭载柔性内窥镜的连续体机械从手、控制电机驱动模块、UR5e从机械臂。主端设备（master device）包括电脑、树莓派、主手、脚踩开关。

图7 鼻部连续体微创手术机器人系统Fig.7 Nasal continuum minimally invasive surgical robot system

采用3D打印技术制作鼻腔上颌窦模型，在可视环境下通过主从操控连续体机械从手在模型中的整体旋转、平面弯曲、空间弯曲运动，如图8所示，观察主手的移动与从手的跟随情况。实验结果表明在工作状态下，连续体机械从手通过主从控制可以顺利地完成鼻腔上颌窦模型内的运动，具备较强的机动性和可操作性。

图8 主从控制操作演示Fig.8 Demonstration of the master-slave control operation

5.2 动物实验

实验动物：巴拿马香猪1只，雄猪，月龄20个月，体重约55 kg。应用鼻部连续体微创手术机器人进行鼻腔上颌窦口组织活检术，术前实验猪禁食12 h，诱导麻醉舒泰50剂量如下：肌肉注射，共5 mL。全麻成功后，实验猪采取仰卧姿势四肢固定于动物实验台上，常规术区消毒，实验过程如图9所示。手术总时长约为20 min，出血量为5 mL。术后约30 min苏醒，6 h开始进食。实验表明，连续体机械从手操作时对鼻腔周围组织未造成明显损伤。医生对机器人操作的适应性较好，后面的活检术也顺利完成，这些验证了本机器人系统的有效性及安全性，为进一步的临床应用研究奠定了技术基础。

图9 动物实验照片Fig.9 Pictures of animal experiment

6 结论

为解决目前鼻腔上颌窦手术存在的操作弊端，在对鼻腔上颌窦解剖深入分析的基础上，本研究设计了一种鼻部连续体微创手术机器人系统，自主研发了小尺寸可弯曲的连续体机械从手，采用灵活的球窝关节和超弹的镍钛合金管结构，弯曲角度可达235°。原型样机体外主从控制实验表明，连续体机械从手在鼻腔上颌窦3D模型中具有空间可达性和运动灵活性，设计合理、可控。通过动物体内实验研究，进一步验证了该手术机器人系统的可行性和有效性。