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成功為豬肝進(jìn)行了微創(chuàng)手術(shù),中科院研發(fā)出有“觸感”的機(jī)器人

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2022-01-18  來(lái)源:中科院  瀏覽次數(shù):411
核心提示:據(jù)中科院消息,近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心研究員王磊團(tuán)隊(duì)在基于布拉格光柵光纖傳感原理在微創(chuàng)手術(shù)的應(yīng)用

據(jù)中科院消息,近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心研究員王磊團(tuán)隊(duì)在基于布拉格光柵光纖傳感原理在微創(chuàng)手術(shù)的應(yīng)用 —— 活體組織觸診的研究中實(shí)現(xiàn)了活體組織的精準(zhǔn)力信息反饋和腫塊信息的定位檢測(cè)功能。

隨著醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展,微創(chuàng)手術(shù)(MIS)逐漸成為現(xiàn)實(shí)。但是,傳統(tǒng)手術(shù)中發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題仍與 MIS 有關(guān)。例如,在進(jìn)行微創(chuàng)外科手術(shù)期間,醫(yī)護(hù)人員會(huì)暴露在手術(shù)室中發(fā)現(xiàn)的放射線(xiàn)和整形外科危害中。

引入機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)的技術(shù)成為了比傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)更好的替代方案;然而,機(jī)器人輔助手術(shù)過(guò)程中伴隨著外科醫(yī)生的觸覺(jué)喪失。外科醫(yī)生通過(guò)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù),手術(shù)期間醫(yī)生無(wú)法直接接觸人體組織并且分析人體器官,因此無(wú)法保證所進(jìn)行的手術(shù)的可靠性。在傳統(tǒng)手術(shù)過(guò)程中,醫(yī)生通過(guò)觸覺(jué)去感知器官的異常情況,進(jìn)而判斷器官中是否存在腫瘤和腫塊。

但隨著醫(yī)療機(jī)器人的普及,這種可獲得的觸覺(jué)信息尚未有效集成到機(jī)器人輔助的微創(chuàng)手術(shù)中,因此要求機(jī)器需要具有更高精確度和靈敏度的觸覺(jué)信息反饋。深圳先進(jìn)院科研人員在此基礎(chǔ)上提出一種用于微創(chuàng)手術(shù)組織觸診中的高靈敏度布拉格光柵光纖(FBG)傳感方案,與以往的電容式傳感方案不同,光纖傳感器與手術(shù)期間的磁共振 (MR) 系統(tǒng)和成像系統(tǒng)兼容。

成功為豬肝進(jìn)行了微創(chuàng)手術(shù),中科院研發(fā)出有“觸感”的機(jī)器人

▼ FBG 傳感器的三維圖

為此,研究設(shè)計(jì)了用于微創(chuàng)手術(shù)的一維遠(yuǎn)端力傳感器。其中,傳感器結(jié)構(gòu)中嵌有雙光柵元件可用于解耦傳感器在使用過(guò)程中受到的應(yīng)變和溫度交叉影響,實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的力覺(jué)檢測(cè)。研究中,科研人員基于雙光柵元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā),推導(dǎo)出相應(yīng)的柔性結(jié)構(gòu)理論模型。通過(guò) fmincon 函數(shù)對(duì)柔性件進(jìn)行了基于物理模型的優(yōu)化設(shè)計(jì),確定了結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。采用有限元法對(duì)柔性件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析,在理論基礎(chǔ)上驗(yàn)證了該柔性件的可行性。

成功為豬肝進(jìn)行了微創(chuàng)手術(shù),中科院研發(fā)出有“觸感”的機(jī)器人

為了進(jìn)一步提高傳感器性能,并基于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定,該網(wǎng)絡(luò)模型可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)力與波長(zhǎng)偏移量的關(guān)系。研究還進(jìn)行了溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了雙光柵元件能夠有效的進(jìn)行溫度解耦方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,F(xiàn)BG 傳感器能夠在 1N 范圍內(nèi)感知力值,平均相對(duì)誤差小于滿(mǎn)量程的 2%;溫度補(bǔ)償后的誤差 0.8 mN。科研人員進(jìn)一步對(duì)豬肝器官進(jìn)行組織觸診實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證所提傳感器設(shè)計(jì)在微創(chuàng)手術(shù)中的有效性和適用性。

成功為豬肝進(jìn)行了微創(chuàng)手術(shù),中科院研發(fā)出有“觸感”的機(jī)器人

研究實(shí)現(xiàn)了組織觸診中器官腫塊信息的精準(zhǔn)力反饋和定位檢測(cè),并提出了新型的溫度解耦方案和傳感器標(biāo)定方法,為微創(chuàng)手術(shù)中手術(shù)機(jī)器人的觸覺(jué)信息檢測(cè)提供了有效技術(shù)路線(xiàn),有望推動(dòng)手術(shù)機(jī)器人在介入式醫(yī)療中的手術(shù)路徑導(dǎo)航和機(jī)器控制中的應(yīng)用。

 
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