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加上穿刺过程的作用力很难实现真正的缝合操作

发布日期:2018-08-20  来源:Www.DedeMao.Com
 
  可以看到一种状态到另一种状态的响应时间是3.7秒,另外一种反应时间是17秒,这样的状态可以使我们更好地完成相应的刚柔转换工作。弯曲、保持和缩短都可以通过水蒸气在身体当中作为接受的操作方式,实现整个刚和柔的转换,也可以实现性能的要求。
 
  这是结构的基本特征,通过丝来驱动,实现整个运动的过程。把这样的结构装在机械臂上面,也就是软性的器械,可以实现前端整个主动的操作,这样就可以完成整个器械本身的定位,保持在这个位置,同时进行力的操作。

  大家知道,越软的材料力越是不够的,而硬的材料力虽然够,但适应性是不够的,我们就要把适应性和力很好地结合起来,实现整个手术的操作。以缝合打结为例,传统器械来做缝合打结需要空间才能操作,它的力度非常大,具体的数值大家可能不知道,但缝合肯定是需要力的。比如缝合一个直径10毫米左右的血管,钳子夹针的力大概是11-13牛,而普通的小器械很难达到这么大的力,加上穿刺过程的作用力很难实现真正的缝合操作。刚性状态都这么难的话,柔性状态就很难实现了,所以除了用激光的办法,缝合还是离不开的。如果我们做柔性的器械,应该怎样把这项工作实现?必须考虑柔性器械的末端操作。谈到手术机器人的前提,必须要谈一些手术方面的事情。传统的手术都是刀子、剪子和镊子,微创手术实际上是拓展到了更小的使用空间操作。手术机器人的产生使我们对手术有了新的理解,也对手术模式起了一些新的变化,但还没有完全颠覆整个手术的模式。无论是肠镜还是消化道的内镜,现在仍然是作为内科检查非常重要的工具,但并不能应用到手术过程当中。
 
  天津大学团队研制了“妙手手术机器人”,通过丝的传动融入柔性。大家都知道达芬奇系统,形式上它和达芬奇是相同的,但从设计原理本质来说是不一样的。这套系统本身要比达芬奇小得多,成本也低得多。可以看到这里柔性的材料已经发挥了主要的作用,比如前端工具我们用了很多的丝,末端有四个自由度,直径是10毫米,如何让这些丝互不干涉,减少它的摩擦等等,这些都是我们必须要考虑的问题。
 
  目前的手术机器人系统已经产业化,2014年已获得临床应用,同时转化给企业,已经有将近50例的临床,我们做得非常顺利。通过认证以后这项工作步伐也在加快。这已经改变了医生的操作模式,但本身并没有改变外科,也没有使得外科的本质发生根本性的变化。
 
  大家都知道,手术有开放到微创的过程,内镜有诊断到治疗的过程,如何使内外科融合,或者让模糊的界限变得清晰,这都是需要考虑的问题。此外,整个过程中如何把系统完整地再现,这是我今天报告的主要内涵。柔性机器人有很多,也有不少理念,但围绕这个领域还要从应用的角度思考,如何让两个领域相互借鉴,要从应用端思考如何把这个问题走通。
 
  手术机器人如果要做到全柔性应该通过自然腔道进行手术,进入体内操作,器械就是其中非常重要的内容。可以看到手术机器人做成软镜以后整个刚性和操作的力度、可达性必须统筹考虑,起到主要作用的还是整个结构的设计。
 
  整个操作过程当中人肯定要坐在那里操作,实现进入体内完成整个手术的过程,必须要看到稳定性、精度和柔顺性等等问题。这就涉及到一个核心要素,就是软和硬的问题,应该如何匹配和实现。今天讲的内容主要的核心就是软和硬的刚柔并济,这个过程必须解决的是整个操作的结构,或者是操作的器械,这种器械本身必须要在刚与柔之间进行适当的转化。我们列出的表是变刚度的设计,包括了它的原型、机构、刚度状态和响应时间。
 
  这里特别需要和各位介绍一下,实际上在刚和柔转换的过程当中,作为一个器械或者机器人的操作臂,这种结构本身实现运动和力的过程,响应时间是非常重要的一个指标。大家想像一下,不可能拿着一个机器人在身体当中做手术,操作的时间要停留十分钟或者五分钟才能完成,一个动作保持在那个地方不做任何等待器械的变化,一定是几秒钟内要完成这些操作。刚和柔的转换可以通过物理的办法,比如丝的结构实现整个手术的操作,手术器械从柔态变成刚态,这些本身都是通过物理的结构来实现。
 
  当然,这只解决了刚和柔的问题,包括响应时间、空间和体积,更多的约束条件并没有考虑进去。应用的过程当中实际上是不可能的,很多想法可能在推进的过程中10个只能有0.5个可以得到应用。通过材料的相变和加温度就可以实现整个刚和柔的转换,可以把材料本身的特性和结构的特性融合起来进行操作,也会带来一些问题,响应时间是最大的问题。
 
  我们的主要工作是把材料和结构融合起来,实现刚和柔的转化。我们自己通过一定的比例配置液态金属,并将其注入结构之中,灌在编织丝当中我们就可以知道这个编织的管子过去刚度是一定的,通过液态金属和温度控制可以实现相应结构的变化。软态到刚态的转换是非常慢的,实际演示起来非常麻烦。运用如海绵聚酯等高分子材料也可以通过吹蒸汽的方法来实现,很容易地可以把这种刚态和柔态形成一定的变化,而且响应时间可以达到秒级,这样手术的机械才能真正使用这种结构。