（机械电子工程专业论文）机器人内窥镜主动避障子系统研究.pdf

上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 摘要 机器人内窥镜技术的研究是医疗机器人研究的一个重要方面，主要是利用机 器人技术对传统的内窥镜进行改进，以提高内窥镜检查的智能化和自动化。由于 传统的内窥镜检查中存在着固有缺陷，在内窥镜诊疗手术中存在导致人体结肠的 组织破损( 出血和穿孔) 的可能性，并且由于无法实时了解内窥镜在人体肠道内 的形状，又可能造成内窥镜缠绕等情况的发生。 “介入式内窥诊疗机器人关键技术研究”是针对以上传统内窥镜的不足之处 而提出的，旨在通过对关键技术的研究来实现内窥镜检查的自动化和智能化，提 高内窥检查的安全性。本项目得到了国家自然科学基金、国家8 6 3 计划等的资助。 作为“介入式内窥诊疗机器人关键技术研究”项目的重要内容之一，作者主 要对“机器人内窥镜主动避障子系统”进行了研究和开发，以实现内窥镜在介入 人体结肠过程中内窥镜头部能够主动避免与人体肠道内壁挤压，减少人体结肠穿 孔等医疗事故的发生，围绕这一内容，本文主要进行了以下研究工作：第一章主 要对本课题的研究背景以及有关该课题的国内外研究现状做了介绍。第二章分析 了人体结肠的构成及组织结构，并对猪的结肠做了液体压力变形实验、机械压力 变形实验和耐压实验。第三章对内窥镜头部偏摆的实现机理进行了分析，完成了 内窥镜头部主动偏摆控制执行机构的样机设计，并对基于形状记忆合金的内窥镜 头部偏摆机构进行了研究和探索。第四章分别对导电橡胶和应变计进行压力标定 实验，对基于应变计的内窥镜头部微小型力觉传感器进行研究。并研制出了基于 导电橡胶的内窥镜头部微小型力觉传感器。第五章和第六章对整个控制系统进行 了设计，包括基于多c p u 的下位机功能控制模块的设计、上位机控制方法和控制 界面设计设计以及上下位机的通讯协议设计，将通讯技术应用于内窥镜，进一步 提高了内窥镜的智能化。论文第七章对研制的系统进行了肠形弯曲管道行走实 验，分别对机器人内窥镜头部偏摆速度、摆动角度以及避障状况进行t n 试。 关键词：医疗机器人机器人内窥镜导电橡胶 肠道检查主动避障 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a lu n i v e r s l t y a b s t r a c t r o b o t i ce n d o s c o p ei sak i n do fi m p o r t a n tt e c h n o l o g yf o rm e d i c a lr o b o t s w h e n t r a d i t i o n a le n d o s c o p ei so p e r a t e di nt h ep r o c e s so fm e d i c a lt r e a t m e n t ，s o m es u r g i c a l c o m p l i c a t i o nm a yb ep o s e d ，s u c ha sc o l o n - p e r f o r a t i o n ，a n d t h ee n l a c eo ft h e e n d o s c o p e i n t ou n i d e n t i f i a b l es h a p ei nt h ep a t i e n t sc o l o n o w i n gt o t h e c o m p l i c a t i o n s t h a t m a ya r i s e w i t ht r a d i t i o n a l c o l o n s c o p e ，a s d e s c r i b e da b o v e ，o u rr e s e a r c ha i m sa t d e v e l o p i n gk e yt e c h n o l o g yt od e s i g n a l l i n t e l l i g e n t a n dr o b o t i c e n d o s c o p e t h u si m p r o v i n gi t sr e l i a b i l i t y a n ds a f e t y t h i s p r o j e c t i s s u p p o r t e db yt h e n a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ，t h e n a t i o n a ih i g h t e c hr & d p r o g r a m a so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r to ft h ep r o j e c t “r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yo f i n s e r t e d e n d o s c o p i cr o b o t ”，t h i s t h e s i sd i s c u s s e s m a i n l y t h e a u t o m a t i c o b s t a c l e - a v o i d a n c e s u b s y s t e m o fr o b o t i c e n d o s c o p y ”t h e f u n c t i o no ft h i s s u b s y s t e mc a nb eu s e dt o c o n t r o lt h eh e a do fe n d o s c o p yt ow i n da u t o m a t i c a l l y , a v o i d i n gp e r f o r a t eh u m a nc o l o n b ya n a l y s i so f t h ep r e s e n tc o n d i t i o no fi n t e l l i g e n t e n d o s c o p y a n d d i f f i c u l t i e s ，t h er e s e a r c h sa i ma n d c o n t e n ta r ee s t a b l i s h e d f i r s t l yi nt h e t h e s i s i nc h a p t e r2 ，t h es t r u c t u r ea n dt i s s u eo fc o l o ni si n t r o d u c e d b ye x p e r i m e n to f p i gc o l o n sp r e s s d e f o r m a t i o n ，s o m ei m p o r t a n td a t aa r eo b t m n e d n e x t ，t h et h e s i s d i s c u s s e st h em a n i p u l a t i o nm e c h a n i s mt h a ti sd e s i g n e da sa na s s i s t a n ta p p a r a t u so f t h e i n t e l l i g e n te n d o s c o p e t or e a l i z ea u t o m a t i co b s t a c l e - a v o i d a n c e o ft h er o b o t i c e n d o s c o p e i nc h a p t e r4 ，an e wt y p eo ff o r c es e n s o ri sd e v e l o p e d ，w h o s es e n s i n g e l e m e n t sa r ef o u rp i e c e so fr e s i s t a n c e e f f e c tr u b b e r s t h i ss e n s o rc a nb eu s e dt o m e a s u r et h ef o r c eo ni n n e rc o l o nf r o m e n d o s c o p ei nd i f f e r e n td i r e c t i o n s i nc h a p t e r5 a n dc h a p t e r6 ，t h er o b o t i cc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e d ，w h i c hi s m a d eu pp ca n d m i c r o c h i p s m a n ys a f e g u a r d sa r ei m p l e m e n t e d h e r et oe n s u r et h es y s t e mt ow o r kw i t h h i g hr e l i a b i l i t y t h e m o n i t o ri n t e r f a c ea n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n d m i c r o c h i p se n a b l et h er o b o tt ob ec o n t r o l l e dc o n v e n i e n t l y f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t so fr o b o t i ce n d o s c o p ei nc o l o nm o d e la r ei n t r o d u c e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o n so f t h er o b o th a v ea c h i e v e dt h e o b j e c t i v ee x p e c t e d k e y w o r d s ：m e d i c a l r o b o tr o b o t i ce n d o s c o p er e s i s t a n c e - e f f e c tr u b b e r i n t e s t i n ei n s p e c t i n ga u t o m a t i co b s t a c l e a v o i d a n c e 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r st h e s i so f s h a n g h a iu n l v e r s i t y 第一章绪论 1 1 课题背景 随着m e m s ( 微机电系统) 技术、计算机技术、通讯技术、新材料技术等 多种学科的发展，基于以上多种技术发展起来的机器人技术也迅速发展起来，机 器人技术的应用已经从传统的工业领域扩展到多种领域，如医疗、航空、娱乐等 领域。 医疗机器人技术是目前国内外研究非常活跃，投资较多，也是最具有发展前 景的应用领域之一。在1 9 9 6 年、1 9 9 8 年和2 0 0 1 年的国际先进机器人计划 ( i n t e r n a t i o n a la d v a n c e dr o b o t i c sp r o g r a m ，简称i a r p ) 合作协调会上，医疗机器 人成为讨论的热点之一。医疗机器人研究与应用的一个重要方面是无创微创外科 手术( m i s ) 技术，它是利用人体的天生管腔或手术小孔导入医疗器械或医疗机 器人以实现对人体进行诊断、治疗、检测和手术等，从而减少手术期间对人体其 他完好组织的伤害，缩短康复时间，并减轻患者的生理痛苦和医疗人员进行手术 操作时的心理压力【1 1 。内窥镜诊疗术是微创外科手术的重要手段，其典型器材是 内窥纤维镜和导管等。 结肠癌占现代工业国家癌症发病率的第二位，在美国，每年约有1 5 0 ，0 0 0 例结肠癌患者，而9 0 的结肠癌是由良性息肉发展而来，据统计结肠息肉的发病 率约为1 0 左右【i 】【2 1 。因此及早的发现及切除息肉是预防和治疗结肠癌的重要措 施。然而大多数的结肠息肉并无特殊的症状，诊断主要依靠临床检查。采用内窥 镜进行诊疗则是最重要、最精确的诊疗方式。但是，现有的内窥镜在人体结肠检 查中仍然存在着许多难以克服的缺陷，它是利用操作人员的外部推力介入到人体 检查肠道，由于这种推入方式对操作人员的技术要求较高，很可能由于操作不当 或人体结肠本身的病理原因而导致结肠的穿孔，致使医疗事故的发生。因此，有 必要研究一种新型的内窥镜，以克服现有内窥镜的不足。 1 2 内窥镜的发展及其现状 内窥镜的发展主要经历了硬性内窥镜，软性内窥镜，电子内窥镜三个阶段。 硬性内窥镜的发展开始于1 7 9 5 年，b o z z i n e 首次提出内窥镜的设想，他以烛光为 光源，通过内窥镜看到人体直肠和子宫内腔：1 8 5 3 年，d e s o r m e n x 研制成另一种 硬性内窥镜，通过利用煤油灯的照明的反射光源，可以观察到人体的直肠、膀胱、 尿道和子宫等部位。直到爱迪生发明了电灯以后，科学家们才可以用电灯作为内 窥镜的光源。1 9 3 2 年，一种半可曲式内窥镜研制成功，开创了软性内窥镜的新 阶段。到本世纪5 0 年代，由于光导纤维的出现，内窥镜才成为真正的软性医疗 器械产品。从上世纪八十年代初开始，先后在美国，日本和西欧一些国家掀起了 电子内窥镜的研究热潮，电子内窥镜的主要特点是采用电荷耦合器件( 简称 机器人内窥镜主动避障子系统研究 s t u d y o n t h e a u t o m a t i c o b s t a c l e - a v o i d a n c es u b s y s t e m o f r o b o t i c e n d o s c o p e c c d ) 进行图像的采集，它省去了纤维内窥镜的纤维传像束和目镜，直接将图像 以电信号的方式传输到图像处理中心，并将其显示在显示屏上。目前电子内窥镜 已经在一些大中型医院得到了临床应用p j 。 随着内窥镜研究的不断深入，近几年，在日本和欧美一些国家又相继出现了 对超声内窥镜、激光内窥镜和三维内窥镜的研究。在众多的内窥镜中，光导纤维 内窥镜以其性能的稳定性、使用的方便性、技术的可靠性、装置的小型性以及合 理的性能价格比等诸多优势，在医学界得到普遍的应用，仍然是内窥镜市场的主 流。 1 3 结肠检查中存在的问题 结肠软性内窥镜( 以下简称内窥镜) 是一种很重要的胃肠内窥镜，其外型结 图1 - 1 结肠纤维镜 构如图1 - 1 所示，内窥镜由介入软管、头部偏摆控制手柄、手术控制手柄、水气 通道接口、光通道接口、以及成像系统组成，内窥镜前端可以利用外部头部偏摆 控制手柄进行手动控制，通过钢丝牵引实现约1 8 0 度范围的俯仰和偏摆【4 l 。内窥 镜师可以通过目镜或图像显示系统的显示屏观察到从内窥镜中光纤束传出的两 维图像。检查过程中，利用两维图像的色差信息和手感来控制内窥镜的插入。 现有内窥镜检查是利用操作人员的外部推力介入到人体被检查腔道中的。由 于人体肠道环境的特殊性和现有内窥镜检查操作的复杂性，当带有一定柔性的装 置在腔道组织上滑行时，对腔道壁面产生压力，有可能对人体内部软组织造成擦 伤和拉伤，一旦这个压力超过一定的阈值，还可造成组织破损，导致出血，进而 导致穿孔的发生【5 】。同时由于人体腔道结构比较复杂，以结肠为例，存在多处弯 道，仅凭手感要把内窥镜顺利插入到深处并非易事。据统计，经过专业训i 练、有 经验的医务人员把内窥镜插到结肠远端( 盲肠部) 的概率仅为8 5 9 0 。鉴于这 种情况，内窥镜检查和手术基本上是在技术水平较高的大医院中进行，而且对操 作医师的技能要求很高【”，经常需要多个医师配合，一般一例检查为4 0 6 0 m i n t 7 1 ， 这种长时间的操作不仅使操作医师产生疲劳，而且加长了病人忍受痛苦的时间。 为了能够克服现有内窥镜检查中所存在的上述缺陷，提高内窥镜的智能化、 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r ，st h e s i so fs h a n g h a lu n i v e r s i t y 简化对操作医师的技术依赖、减少医疗事故的发生率，同时促进国内医疗装备技 术水平的提高，提升国内医疗器械的国际竞争力，因此，有必要采用机器人技术 来改造现有的内窥镜。 1 4 机器人内窥镜国内外研究现状 由于医疗机器人的研究和应用前景非常看好，近年来，国内外在医疗机器人 方面的研究工作日益蓬勃。随着医疗机器人研究工作的深入和实用化，一些常规 的医疗方法和医疗理念被改变，许多原来难以突破的手术禁区被突破。医疗机器 人的研究，不仅可以造福于人类，而且具有很高的附加值，具有良好的经济效益。 机器人内窥镜的研究只是医疗机器人研究的一个方向，为了克服上文所述的 现有内窥镜检查中存在的不足与缺陷，国内外的专家、学者在机器人内窥镜方面 做了大量的研究。综合笔者所查阅的资料，目前国内外的研究主要集中在机器人 内窥镜机构学与驱动方式、内窥镜形状检测以及机器人传感器方面的研究。 1 4 1 机器人内窥镜机构学与驱动技术的研究现状 在机器人内窥镜机构技术方面较为典型的是主动内窥镜、主动导管的研究。 已有的研究包括采用本体驱动方式的机器人体内蠕动技术、液体动压移动技术、 特种驱动技术以及多自由度串联机构技术等。 1 蠕动技术的研究 日本东京工业大学根据蚯蚓蠕动原理开发了一种蠕动式微型机器人。整个机 器人由三个运动单元组成( 每个单元对应于蚯蚓的节) ，每个单元包括柔性微驱 动器( f l e x i b l em i c r oa c t u a t o r , 简称f m a ) 和四个铰链。采用气压驱动f m a 以调整 四个铰链的伸缩，使三个单元协调动作，其最大移动速度为2 2 m m s ，最大牵引 力0 2 2 n i 引，运动原理如图1 2 所示。这种机器人的主要缺点是牵引力和摩擦力 都比较小，再者，由于人体肠道内壁光滑且黏膜上充满液体，很有可能出现滑动 现象。 o 一穆甘方向 图卜2 蠕动式微型机器人运动原理 意大利研究人员开发了用于结肠检查的携带内窥镜的机器人”。机器人由母 体、微型手臂和人机接口组成。母体装配有诊断和手术工具，并提供驱动力，移 动方式为蠕动运动。母体由三个模块组成，两个模块起定位和支撑作用，第三个 模块起伸缩作用。每个工作循环有7 个状态。目前研究工作仍停留在移动机构上。 协 儿自矿 一自一 机器人内窥镜主动避障子系统研究 s t u d y o n t h e a u t o m a t i c o b s t a c l e - a v o i d a n c e s u b s y s t e m o f r o b o t i c e n d o s c o p e 美国加州理工学院研制的主动内窥检查机器人，尾部拖有线缆( 控制信号线、 进出气导管和光纤束) ，本体主要由支撑器和延伸器组成，采用蠕动方式移动【l 州。 伯克利加州大学开发了筋控制的内窥镜操作平台，增加了自由度，并便于手术工 具的控制。但是由于其内部安装了电磁阀，体积无法减小。 上海交通大学电子信息学院研制成了一种基于仿生学和电磁转换原理的电 磁型全方位蠕动机器人【i l 】。该机器人由四节电磁驱动单元组成。单元体采用动圈 式结构、由永磁励磁，通过控制动圈中电流的大小和方向来获得不同大小和方向 的电磁驱动力，以实现各单元体的伸缩运动。各单元体间采用球铰连接，以增强 其机动灵活性。其驱动原理模拟生物体的蠕动爬行动作，即通过各单元体有规律 的伸和缩来实现运动的传递，并构成了整个机体的蠕动运动趋势，借助于界面的 摩擦力，构成了整个机体向前运动的驱动力，其运动机理如图1 3 所示。 状态o ( ! 卜叫! 卜叫! 卜叫! l 状奄t ( ! 二卜_ 母( 状态： 口母_ 口 状寿s ( 互 叫 臣 母 状态一 臣 臣 田 图卜3 全方位蠕动机器人移动原理图 上海大学特种机器人研究室也采用蠕动原理，研制出主动拖动内窥镜的移动 及转向机构【l ”。如图1 - 4 所示。该移动机构由两个支撑模块和一个延伸模块组 成。支撑模块为气囊式，延伸模块使用了三个微型气缸，按并联机构的方式安 装。支撑模块通过充气膨胀的乳胶气囊吸附于肠腔壁上，实现稳定的吸附。延 伸模块利用三个气缸全部伸出或缩进时完成推进的功能，并根据传感器接收到 压力传腰嚣 图卜4 蠕动式柔性移动移动机构转向机构图 的信息，由控制电路实现一个或两个气缸伸出以及伸长量的不同来完成转向 功能，从而使移动机构也具有了转向能力。当两个支撑模块交替运动时，即可 实现机器人本体的运动。此外，由于结肠内壁凸凹不平，通过充气膨胀的乳胶 气囊可以扩大接触面积，提高了吸附的稳定性。但是由于其前进牵引力来自于 支撑模块与肠道内壁挤压产生的摩擦力，因此可能导致人体肠道内壁黏膜的损 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r st h e s i so f s h a n g h a lu n i v e r s i t y 伤。 2 特种驱动技术的研究 日本东京大学生物医学工程研究中心提出了应用动压效应原理驱动医用内 窥镜在人体腔道内运动的方案，如图1 5 所示【l ”。内窥镜由带有右螺旋槽的圆柱 形微电机、带左螺旋槽的圆柱体和柔性联轴器构成。当正向接通微电机电源时， 带左螺旋槽的圆柱体正转，带右螺旋槽的微电机外壳反转，但两者产生的轴向粘 液摩擦牵引力相同，带动内窥镜前进；当反向接通微电机电源时，内窥镜后退。 由于人体肠道内的粘液所产生的动压效应，使得内窥镜处于悬浮状态，避免与人 体肠道内壁的接触。国内浙江大学和重庆大学也有类似的研究。由于此机构在旋 转时可能会与肠道内壁接触，而带动肠道一起旋转，对人体造成伤害；并且当其 旋转形成动压膜时，会对肠道黏膜造成损伤。 ；三兰妄三三；二= 心 翼霹 图卜5 动压效应驱动机构 美国卡内基梅隆大学研究人员研制了一种可变硬度的内窥镜【1 4 】，如图i - 6 所示。这种内窥镜的移动机构由能够在柔性与刚性之间转换的骨架和有一定硬度 且能够沿着骨架运动的柔性橡胶套管构成。当骨架处于刚性时，橡胶套管沿着骨 架运动；骨架处于柔性时，骨架可沿着橡胶套管运动。每次的移动量要根据结肠 的弯曲程度来调整。当骨架为刚性时，内窥镜处于定位状态，通过两根线缆控制 导向机构进行观察。与传统内窥镜相比，这种内窥镜仍需操作医师的较高技巧， 以保证骨架和橡胶套管之间的协调运动。 。意。i i ：。，。格总篇 蘸肇硇 图卜6 - i 变硬度的内窥镜 日本三菱公司基础部研f l i 4 7 形状记忆合金( s m a ) 螺旋弹簧式主动内窥镜， 它由弯曲部、2 个s m a 弹簧和纤维镜组成，如图1 7 所示。弯曲部和s m a 弹簧都 涂有聚氨酯涂层，并通过牵引线相连。在室温条件下，2 个s m a 螺旋弹簧保持平 衡，没有施加于牵引线的力。当s m a 螺旋弹簧1 受热时，相变回复力对牵引线施 加以拉力，使弯蓝部弯曲。当s m 螺旋弹簧1 停止加热，s m a 螺旋弹簧2 受热时， 机器人内窥镜主动避障子系统研究 s t u d yo nt h ea u t o m a t i co b s t a c l e - a v o i d a n c es u b s y s t e mo f r o b o t i ce n d o s c o p e 迅速使弯曲部伸直。和传统内窥镜相比，采用了形状记忆合金元件取代钢丝进行 内窥镜头部的偏摆控制。但是由于形状记忆合金元件散热比较慢，在通电时反应 速度较快，而在断电时反应速度较慢，不便于及时的控制内窥镜头部的偏摆。 b e n d i n l p a i l s m a c t u j i o r 图1 - 7s m a 螺旋弹簧式内窥镜 3 多自由度串联机构技术 日本研究人员研制的另一种内窥镜由5 个相同单元组成，采用蛇行游动原 理，如图卜8 所示 1 6 】。在移动过程中，第一个单元的姿态依次传给下一个及后续 单元，使整个机构阱一种相似的弯曲状态实现避障等功能。这种结构可减小结肠 与内窥镜之间的相互作用力，在一定程度上适应复杂的结肠道。中国科学技术大 学也有类似研究报道【1 7 】。这种结构由于采用了较多的关节，一方面增加了控制的 难度，另一方面由于使用了过多的形状记忆合金元件，产生较大的热量，冷却时 间大大加长，从而导致响应速度变慢。 图卜8 多单元内窥镜 由上述的国内外专家、学者在机器人内窥镜机构学和驱动技术方面的研究现 状可知：目前的研究主要集中在改进其介入方式上，试图以一种全新的主动介入 式机器人内窥镜取代现有的内窥镜，虽然在原理上可以部分改善现有纤维内窥镜 检查的不足，但是，作为医疗机器人的研究，更应该考虑其应用于人体的这一特 殊环境，及其未来实用的可行性。人体的肠道有很多的无法预知的三维波褶和弯 曲，并且其内壁组织结构复杂，易损伤，因此，对于主动机器人介入人体，安全 性、可靠性是一重点考虑的因素。 1 4 2 内窥镜形状检测方面 在传统的结肠诊疗中，医生并不能了解内窥镜在人体内的形状，只能凭借个 人经验来实施检查手术，这样就容易造成结肠镜在体内结襻现象发生，如图卜9 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r st h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 图卜9 纤维镜在体内缠绕的x 光照片“” 所示。通过改造结肠内窥镜，使之具有检测结肠内窥镜在病人体内的形态的能力， 就可以为医生实施检查和治疗提供很大的方便，避免结肠镜在体内结襻现象发 生，同时也可以进一步减少进镜和退镜过程中对大肠组织的潜在损伤、减轻病人 痛苦。在这一方面，较为典型的是采用磁场定位的方法，也有超声定位以及应变 片、光纤传感的方法。 1 磁场定位 英国的b l a d e n 等人在1 9 9 3 年提出内窥镜磁场空间定位系统“。如图卜1 0 所示，一个变化的磁场能使其中的金属线圈产生电压，该电压值可以精确的描述 线圈相对磁场的相对位置信息。三个大的励磁线圈放在病人下面，用以产生低频 电磁脉冲，在内窥镜钳道中内置了1 2 个传感线圈，每隔一个采样周期进行一次 采样，采样数据反映连续磁场的变化，经计算机计算得到每个传感器的空间位置， 然后用计算机将这些离散的点拟合成连续的曲线，并在计算机上进行三维显示。 图卜1 0 三维磁场成像系统 2 超声定位 图卜1 1 是福州大学所研究的超声定位系统啪1 。身体内外各放置一个超声传 感器，其中体内的为扫描探测器，体外的为位置标志器，且二者为同步的。根据 超声定位，确定在探测图像上的位置标志器的相对位置，而体外的探测器的位置 则由光学定位系统确定。 机器人内窥镜主动避障子系统研究 s t u d y o nt h ea u t o m a t i co b s t a c l e a v o i d a n c es u b s y s t e mo fr o b o t i ce n d o s c o p e 图卜11 三维超声定位系统图 1 4 3 智能内窥镜传感器方向 在非医师亲自操作的远端手术中，传感器的使用对于真实地反应操作情况， 保证手术安全是非常重要的。智能机器人传感器的研究与应用是提高内窥系统智 能程度的必然要求。内窥系统采用的传感器主要有视频传感器、接触传感器、距 离传感器、姿态传感器等。对传感器的精度、可靠性、漂移量有较严格的要求。 根据目前掌握的资料，研究工作集中在前端接触传感器，主要为了实现前端 转向机构的主动避障。视频传感，提供基于图像的主动避障信息。检测导管与肠 壁接触情况的压力传感器，提供手术规划信息的空间定位传感器等。每种功能的 传感器都可以由不同的原理实现。 意大利比萨大学的研究开发了一种自动的关节内窥镜”“。控制前端弯转机构 的方式，由直流电机嵌入内镜的操作端，与钢丝绳相连，控制前端的一个自由度， 如图卜1 2 所示。由安装在中部离前端2 0 0 m m 处霍尔传感器和悬臂梁上的应变片 分别测量前端的弯转角度和前端对人体组织的作用力，如图卜1 3 所示。该系统 并与其他部分组成了计算机辅助关节镜系统的扩张现实系统。 图卜1 2 l i t e c h 关节镜系统 图1 - 1 3 传感器原理图 o l y m p u s 公司2 0 0 0 年研制出外径为1 5 m m ，内径为0 6 m m 的内窥导管系统。 前端装有3 个接触微传感器，弯转机构由3 根细长的s m a ( 中0 0 7 5 m m ) 驱动， 弯转角度可达4 5 。( 图卜1 4 ) 。该系统可携带o l y m p u s ( a f 一5 ) 进行内窥检查， 可望快速进入小脑血管进行医疗诊断。 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r ，st h e s i so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 图卜1 4o l y m p u s 导管系统( 弯转机构，微传感器) 中国科学院合肥智能机械研究所采用m e m s 技术对阵列式接触传感器进行了 研究。敏感阵列由橡胶覆盖层、传力阵列、敏感单元、保护阵列和基板组成，其 图卜1 5 敏感阵列结 图卜1 6 未粘贴橡胶覆盖层的触觉敏感阵列 构造如图卜1 5 所示，实物如图卜1 6 所示。橡胶覆盖层为2 m m 厚的高弹性橡胶膜， 其作用是保护传感器表面、增加磨擦系数并吸收冲击能量。为增加粘贴面积和提 高可靠性，将硅橡胶灌充在传力柱之间的间隙中，然后将橡胶覆盖层通过硅橡胶 粘贴在传力阵列上方。敏感阵列的32 个敏感单元以4 8 的方式排列，每个单 元均能对三个方向的力( 法向力f z 和切向力f x 、f y ) 敏感。 该传感器达到了类皮肤型触觉传感器必须具备的各项功能和特性，即类似人 类的触觉敏感功能、柔性的接触表面以及小巧的片状外型。 1 5 “介入式内窥诊疗机器人关键技术研究”项目简介 整个研究系统课题名称为“介入式内窥诊疗机器人关键技术研究”，本文的 研究工作得到国家8 6 3 计划( 编号：2 0 0 1 a a 4 2 2 1 8 0 ) 和国家自然科学基金项目 ( 编号：5 0 0 7 5 0 5 0 ) 等基金项目的资助。 综合上节国内外在智能内窥镜方面的研究，虽然在一定程度上可以部分改 善现有纤维内窥镜检查的不足，但其没有顾及内窥检查的系统性和复杂性，( 如 人体的肠道有很多的无法预知的三维波褶和弯曲) ，很难进行精确的数学建模， 由这些技术构成的系统离实际应用尚有很大的距离。而且主动机器人介入人体， 安全性也是一个很大的问题。 所以本项目拟采用智能控制的介入方式，在人体外用一个辅助介入装置， 代替检查医师的手法动作，将内窥镜送入病人体内。同时结合多个传感器的反馈 信号来实现主动避障，并且医生可以通过计算机屏幕来实时观测内窥镜在人体内 机器人内窥镜主动避障子系统研究 s t u d y o n t h e a u t o m a t i c o b s t a c l e - a v o i d a n c e s u b s y s t e m o f r o b o t i c e n d o s c o p e 的形状以及肠道组织的图像。此外检查医师可以通过人机界面来选择手动、自动 的控制方式( 见图卜1 7 ) 。 本项目主要包括三个子系统： 1 机器人内窥镜辅助介入系统：凭借介入装置和多传感器反馈信号，实现 对内窥镜的推进、后退和旋转等自动操作，同时负责检测内窥镜推进距离和旋转 角度等信息。 2 机器人内窥镜主动避障系统：借助驱动旋转装置和对内窥镜头部压力传 感器的信号检测，实现对内窥镜头部偏摆动作的自动控制。 3 机器人内窥镜曲线形状检测与可视化系统：实时检测内窥镜在人体肠道 内的曲线形状，显示于计算机屏幕。同时还包括开发智能内窥镜的人机界面系统。 图卜1 7 介入式内窥诊疗机器人系统概念图 1 结肠2 辅助介入装置3 智能内窥镜4 前端控制装置5 检查图像采集传感器6 水( 气、 冷光) 源7 下位机8 信号采集、预处理模块9 上位机( 上位控制、可视化) 1 0 图形终 端及人机界面11 图像终端1 2 医疗人员 1 6 本课题研究的主要内容 本课题主要对“介入式内窥诊疗机器人系统”的“机器人内窥镜主动避障 系统”进行了研究，本着对人体肠腔无创、无害、安全、可靠的原则，针对“介 入式内窥诊疗机器人系统”研究开发的实际需求，以实现介入式内窥诊疗机器 人在介入人体肠腔的过程中。避免机器人头部与人体肠壁的较大顶压而产生人体 肠壁的拉伤和穿孔等医疗事故的发生，完成对机器人内窥镜的介入导引，研制出 适合人体结肠环境的“机器人内窥镜主动避障子系统”，主要研究内容如下： 1 对人体结肠生理特征，对人体结肠穿孔压力阈值进行调研、实验。 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r st h e s i so fs h a n g i i a iu n i v e r s i t y 2 主动避障执行装置的设计。 3 微小型传感器的研制。 4 传感器采集接口，信息处理与避障控制单元的软、硬件设计。 5 上下位机通讯原理与实现以及下位机通讯的软、硬件和监控界面的设计。 1 7 小结 本章主要对本课题的研究背景以及目前有关该课题的国内外研究现状做了 介绍。针对当前有关该课题的研究情况，提出了本文作者进行研究的有关主要内 容。 机器人内窥镜主动避障子系统研究 s t u d yo nt h ea u t o m a t i co b s t a c l e 一t o i d a n c e s u b s y s t e mo fr o b o t i ce n d o s c o p e 第二章肠道环境特性以及压力实验 2 1 引言 本课题所研究的机器人内窥镜，其应用环境为人体的大肠。由于其应用环境 的特殊性和复杂性，因此首先有必要对人体大肠的生物医学特性进行研究。 2 2 人体大肠的组成结构 人体大肠属于下消化道的一部分，也是整个消化道的最后一段，由肛管、直 横结肠 升结肠 盲腑 鳍晒 肠 状结肠 肠 图2 - 1 人体结肠示意图 肠、结肠和盲肠四部分组成【2 3 】【2 4 1 ，如图2 1 所示。 1 直肠：直肠全长1 2 1 5 c m ，远端与肛管相连，在相连处肠腔狭小。整个 直肠肠腔较粗，扩张形成直肠壶腹，近端与乙状结肠相连，肠腔周径缩小，并呈 现明显弯曲走向。结肠游离带和网膜带集中于结肠前壁，系膜带集中于后壁形成 前后壁纵肌较发达。 2 乙状结肠：乙状结肠肠腔管径是整个结肠中最细的，黏膜面有半月襞， 但乙状结肠壁的环状肌发达程度较差，所以半月襞较扁，突起较低。 3 降结肠：降结肠形态恒定，有明显的半月襞和结肠带。结肠带在该处呈 平行等距离走向，游离带位于前侧，系膜带位于内侧，网膜带位于外侧，将肠腔 内半月襞三等份。 4 横结肠：横结肠壁环行肌发达，半月襞较厚，突起明显，结肠带的囊状 凹陷深。横结肠的三条结肠带也呈等距离走向，使肠腔内半月襞分成等长的三条， 每条占肠腔的三分之一，致使肠腔形成等边三角形。 5 升结肠：升结肠的结肠带与横结肠分布不同，游离带在前缘，系膜带位 于内下方，网膜带位于后外侧，管腔比其他部位粗。 6 盲肠：盲肠是大肠的起始部，它的内侧以回盲瓣与回肠末端相连，并在 其下方附有阑尾。盲肠全长约g s c m ，肠腔大，呈圆筒状，前侧呈袋型盲端，系 膜带位于内侧，很短，网膜带和游离带长，位于外侧和前侧，跨越盲肠的顶端弯 向阑尾根部。因此腔内半月襞形态长短不一，形成“v ”形或“y ”形黏膜皱褶。 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r st h e s i so fs h a n g h a i u n i v e r s i t y 2 3 大肠的组织构成 一般说来，大肠口径较粗，肠壁较薄，除直肠与阑尾外，结肠和盲肠具有三 种结构特征，如图2 2 所示：一沿着肠的纵轴排列有三条平行的结肠带，这是由 肌织膜的纵行肌顺大肠的长轴集中成三条厚的平滑肌束形成的，带间的纵行肌很 薄。二结肠带比肠管短，因而使肠管形成许多由横沟隔开的囊状突出部，称为 结肠袋。三结肠带附近由于浆膜下脂肪聚集，形成了许多形状、大小各不相同 的突起，叫脂肪垂。这三个形态特点可作为辨别结肠的标志。此外，在结肠腔内， 相当于结肠袋间横沟处，环行肌增厚。粘膜也向腔内突起，形成许多结肠半月襞。 站脑半月嚏 图2 _ 2 结肠组织构成图 大肠属于中空性器官，管壁由四层组织构成口5 】【2 6 】，由内向外有：粘膜、粘 膜下组织、肌织膜和外膜四层。 1 粘膜位于最内层。面向管腔，呈淡红色，能分泌粘液，可经常保持湿润 状态。粘膜一般由粘膜上皮、粘膜固有层和粘膜肌层组成。粘膜上皮位于最内层， 为单层柱状上皮。粘膜固有层位于粘膜上皮的外面，由结缔组织构成，其内含有 腺体、血管、神经和淋巴组织。粘膜肌层位于粘膜固有层的外面，由一薄层平滑 肌束构成。此层肌肉收缩时，可使粘膜产生局部运动。 2 粘膜下组织位于粘膜层的外面，由疏松结缔组织构成，含有较大的血管、 淋巴管、神经和淋巴组织等。此层结构比较疏松，有缓冲和防御作用。 3 肌织膜位于粘膜下组织的外面，为平滑肌。肌纤维的排列一般为内环层 和外环层。平滑肌肌层之间有少量结缔组织和肌间神经丛。环层肌、纵层肌交替 收缩，可改变器官的形态，使官腔内容物向前推进。 4 外膜覆盖在肌织膜的外面，为最外层，由薄层疏松结缔组织构成，内含 血管、淋巴管和神经。在腹腔有腹膜覆盖的部分，其外表面还有一层光滑的间皮 ( 单层扁平上皮) ，又称浆膜，能分泌少量浆液，经常保持器官外表皮湿润，减 少器官之间的摩擦，有利于器官的运动。 2 4 结肠的生物医学特性 通过对以上所述的大肠的组成结构和组织构成进行分析可知，大肠作为机器 机器人内窥镜主动避障子系统研究 s t u d yo nt h ea u t o m a t i co b s t a c l e - a v o i d a n c es u b s y s t e m o f r o b o t i ce n d o s c o p e 人内窥镜的工作环境，主要具有以下主要特点： 1 整个大肠形状呈现出一个“? ”形状，大肠的各段之间连接处存在着较 大的转角，尤其是乙状结肠，弯曲转角很大，曲率半径只有2 - 3 c m 2 5 】【2 7 j 。内窥镜 通过大肠的弯曲部分时，会产生称为“。c ”环的现象。由于“o c ”环现象，使得 传统内窥镜发生扭转和倒转，进一步增大了内窥镜和结肠壁之间的作用力【1 】。 2 横结肠通过横结肠系膜附于后腹壁，其运动受呼吸过程和内腔中其它运 动的控制。结肠这种不停的蠕动，不利于内窥镜的进入，且进入之后，这种运动 还可能夹住内窥镜1 2 8 1 1 2 9 1 r 3 0 1 。 3 肠道肠壁较薄，通过现有的内窥镜观察，可以透过肠壁的黏膜，清楚的 看到黏膜下层的血管纹理。因此肠道壁可以承受的压力较小，当内窥镜头部挤压 肠道壁的力过大时，则很可能导致肠道内壁的损伤。 4 人体肠道肌肉组织属于平滑肌，受交感神经控制，有较大的伸展性 “”m ”，表现为大肠在形状和尺度上的可变性。进而导致肠道壁的局部变薄，在 一定程度上削弱了肠道的耐压能力。 5 由于结肠带和结肠半月襞的存在，肠道内壁凹凸不平。在内窥镜进镜过 程中，容易产生肠道内壁突起部分的拉伤和擦伤。 2 ，5 结肠压力实验 由于内窥镜在介入人体肠道时，内窥镜的头部难免要与大肠的内壁产生挤 压，而当这种挤压力超过大肠的耐压能力时，人体的大肠壁则可能破损，严重时 导致肠道穿孔等医疗事故的发生。传统的内窥镜检查是靠操作医师的经验来控制 内窥镜头部的摆动来避免以上事故的产生。为保证机器人内窥镜安全、可靠的介 入人体肠道，主动避免内窥镜头部与人体肠道内壁产生的较大压力，为传感器设 置以及控制系统提供有效的参数，我们对肠道进行压力实验。 在做结肠压力实验时，我们考虑两种方法对结肠进行压力实验。方法一采用 液体压力来测量结肠的变形与耐压情况，方法二采用机械式压力来测量结肠的变 形与耐压情况，下文分别对这两种方法以及测量所得的数据进行了分析： 2 5 1 采用液体压力时大肠变形与耐压的测量 2 5 1 1 实验原理与步骤 实验装置如图2 3 所示，容器为一5 0 0 3 5 0 3 0 0 m m 的透明容器，容器上标有 刻度线，可以通过容器上的刻度线映射大肠直径的变化，容器内装有生理盐水。 对于本课题来说，并不需要非常精确的结肠压力值，本实验的目的仅仅是为后续 课题的研究提供大致的参考数据，再者采用人体的活体大肠有一定难度，我们以 一段猪结肠为实验标本进行实验。一个三通管分别连接猪结肠，压力表和进水管， 压力表可以测量旌加在猪结肠的液体压力，通过球型阀门控制手柄可以调节进水 上海大学硕士研究生学位论文 t h em a s t e r ，st h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 管的水压，具体实验过程如下 ，猎丈肠 1 i 一一i 一一一 印。兰 旺y 士 蔷器 图2 - 3 猪大肠液体压力测量装置 取猪大肠长2 0 0 删，用盐水洗干净，将大肠的一端用手术线扎紧，另一端系 在三通管的一端，通过调节球型阀门控制手柄，控制水的压力分别为2 k p a ，4 k a ， 6 k p a 。8 k p a ，1