脑外科手术颅内环境共融的软体机器人关键科学问题研究

Aiming at the fact that it is difficult to reduce the disability rate and recurrence rate of current neurosurgery, based on the excellent compliant performance of soft material interaction with human tissue, the key scientific issues are to be solved to reach the realization of the soft robot co-existing with intracranial environment during brain surgery. From the observation of experimental phenomenon in intracranial soft tissue interacting with rigid/flexible/soft material, the injury mechanism of intracranial soft tissue interaction with brain tissue is revealed, including interaction injury mechanism of rigid/flexible/soft material with brain tissue, and 3D stereoscopic distribution of injury thresholds of intracranial tissue. The configuration design and performance analysis of positioning accuracy of brain surgery soft robot are studied. Based on the configuration design, the dynamics model for explaining mechanics behavior of brain surgery intracranial soft robot is studied. Based on the dynamics model, the environmental interaction dynamics model of the soft robot and the intracranial soft tissue is studied. Based on the interaction injury mechanism and environmental interaction dynamics model, the mechanism of stiffness adjustment of the brain surgery soft robot is studied. Based on the aforementioned results, a control algorithm for manipulation of soft tissue by the brain surgery soft robot is derived. The realization of the soft robot and its experimental verification are carried out. This project provides theoretical guidance to provide the soft robot with the co-existing capability in brain surgery intracranial environment, and offers key technological support for clinic use of future brain surgery soft robot. The project is with theoretical and engineering values.

针对当前脑外科手术致残率和复发率难以降低的问题，基于软体材料人体交互时优异的柔顺特性，以实现脑外科手术颅内环境共融交互操作的软体机器人为目的，解决其所依赖的基础科学问题。从颅内软组织与刚/柔/软材料力交互实验现象观测出发，揭示软体机器人与脑组织交互损伤机理，包含刚/柔/软体-脑组织交互损伤机理，以及颅内组织损伤阈值三维立体空间分布。研究脑外科软体机器人构型设计和定位精度性能分析。基于构型设计，研究脑外科颅内软体机器人系统的力学行为解析动力学模型。基于动力学模型，研究软体机器人-颅内软组织环境交互动力学模型。基于交互损伤机理和环境交互动力学模型，研究脑外科软体机器人刚度调控机制。在上述结果基础上，推导脑外科软体机器人软组织操作控制算法。最后进行实现和实验验证。为解决软体机器人实现脑外科手术颅内环境共融能力提供理论指导，为未来脑外科软体机器人面向临床提供关键技术支撑。具备理论和工程的研究意义。

在刚体/柔性体/软体-脑组织交互损伤机理研究方面，通过多组实验测试获得了不同接触力作用下离体动物脑组织的损伤特性；在颅内组织损伤阈值三维立体空间分布研究方面，通过上述测试方法建立了脑组织损伤阈值分布规律；在软体机器人构型设计和定位精度性能分析方面，搭建了软体机器人系统样机，给出了定位实验分析结果；在颅内软体机器人系统的力学行为解析动力学模型方面，建立了软体机器人与环境的交互动力学模型；在软体机器人-颅内软组织环境交互动力学和刚度调控机制方面，初步获得了机器人系统与脑组织交互的可行模式；脑外科软体机器人软组织操作控制算法，设计了变刚度控制算法并完成了变刚度仿真分析。搭建了上述测试平台完成了有关实验：包括软体机器人变形实验、软体机器人刚度测试实验、变刚度关节平台测力实验、柔性机器人弯曲和定位精度实验、软体机器人空间路径循迹实验等。在计划研究的相关外延研究方面，设计了脑外科用异质肿瘤活检针系统、设计了可伸长及缩短的柔性机器人系统，设计了脑外科出血检测和出血清除方法和机器人系统。通过本项目的研究工作，在脑外科软体机器人设计和脑外科软体相关诊断治疗方面开展了深入的研究，同时在可行的情况下将研究工作拓展到人体其他部位。总体完成了项目的研究目标，具体包括：完成了不同刚度材质在不同力下对脑组织的损伤特性规律；获得了脑损伤阈值的空间分布规律；设计了软体机器人的结构形式，分析了定位精度，建立了软体机器人与环境的交互方法，即变刚度调节机制；得到了变刚度调节算法；搭建了软体机器人系统等。在研究过程中，在IEEE Transactions on Biomedical Engineering发表完成离体动物组织穿刺机器人系统论文，设计的气动变刚度关节，在医疗、机器人等要求减小不定冲击以便对操作对象和被操作对象双方均进行防护的系统结构相关的行业具有良好的应用前景，共发表SCI期刊论文4篇，EI检索国际会议论文4篇，新申请发明专利8项，执行期间获得授权发明专利5项，软件著作权登记1项。

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