目的:评价新型主从操作式经尿道手术机器人系统的性能，验证其安全性和有效性。方法:2021年9月北京协和医院2名泌尿外科医生(A和B)应用经尿道手术机器人样机进行仿真人体组织模型实验。本研究采用的经尿道手术机器人系统包括：主端控制平台、从端手术平台和末端执行器。主端控制平台采用Omega7力反馈主手作为主控制器，自由度包括：上下平移、左右平移、前后平移、末端旋转、末端俯仰、末端摆动、末端操作。从端手术平台采用Med 7七自由度医疗协作机械臂，通过末端执行器操作电切镜。末端执行器采用模块化设计，最大化兼容现有手术器械。2名医生均分别常规组装电切镜和经尿道手术机器人各20次，计算组装时间。常规组装电切镜时间包括电切镜安装、连接镜头和光源后，医生手持电切镜进入实验模块的时间。组装手术机器人时间包括将电切镜与末端执行器安装，并连接镜头和光源后进入实验模块的时间。2名医生分别进行25次模拟前列腺电切手术和5次模拟膀胱电切手术。将猪的小肠、心脏和胃缝合构建模拟人体的尿道、前列腺和膀胱结构：尿道(猪小肠)长16~18 cm，前列腺(猪心脏)大小约5 cm×5 cm×6 cm，膀胱(猪胃)容量250~300 ml。将模型置于3D打印套盒中，模拟尿道与硅胶阴茎贴合。模拟前列腺电切手术：医生于主端控制平台操作手柄，通过人机交互控制从端执行器，直视下围绕不动点切除"前列腺"，模拟标准经尿道前列腺切除术，切除范围为从模拟膀胱颈至模拟前列腺尖部，切除两侧叶和中叶。每次手术时间40 min，记录切除组织重量。模拟经尿道膀胱电切手术：每次手术需切除模拟膀胱的三角区、两侧壁和顶部区域，记录是否发生穿孔。通过手术对机器人的主从操作距离准确度、操作姿态准确度、主从操作姿态重复度、不动点准确度、主从控制启动延迟时间和主从控制跟随延迟时间、机械臂摆动范围、极限位点等指标进行验证。结果:经尿道手术机器人性能测试结果显示，末端执行器定位精度<0.5 mm，主从操作距离准确度≤0.5 mm，重复性距离≤0.2 mm；主从操作姿态准确度角度a≤0.30°，角度b≤0.30°，角度c≤0.15°；不动点准确度≤0.6 mm，机械臂最大活动空间为半径(1 493±5) mm的半球形空间。主从控制启动延迟时间和主从控制跟随延迟时间均≤100 ms。从端机械臂末端在运动中受到外力碰撞时，系统可自动停止机械臂运动，此时外力为(70±7)N；不动点设置范围30~170 mm。医生A和医生B组装经尿道手术机器人时间分别为(111.35±57.88)s和(111.70±58.30)s( P＝0.996)，常规组装电切镜时间分别为(44.90±4.89)s和(44.90±5.16)s( P＝0.679)，2名医生间比较差异均无统计学意义；2名医生的机器人组装时间均多于常规组装时间，差异均有统计学意义( P＝0.001， P＝0.001)。随组装次数增加，机器人组装时间进行性下降，5次组装后时间稳定≤120 s。医生A和医生B切除的前列腺组织重量分别为(43.60±12.42)g和(43.45±12.63)g，差异无统计学意义( P＝0.954)。模拟膀胱电切手术中，机器人系统可顺利完成模拟膀胱的三角区、两侧壁和顶部组织切除。手术实验中系统运行流畅，未发生机械故障，无模块损伤、穿孔等并发症发生。 结论:经尿道手术机器人能够安全、有效地完成经尿道电切手术。

目的:研制机器人消化内镜系统（robotic digestive endoscope system，RDES），验证其可行性、安全性及操控性能。方法:基于主从控制系统设计RDES，包含3部分：整合内镜主体包括内镜和与之整合的内镜旋钮/按钮控制系统；机械臂系统包括基座、机械臂及连接在其上的内镜进退操控装置（有力反馈）和内镜轴向旋转操控装置；操控台包括内镜控制主手和图像显示器。操作者坐在远离检查台的操控台前，操控主手实现内镜头端弯曲、镜身进退及旋转，并通过主手上的按钮实现送气、送水、吸引、定图以及运动比切换功能。（1）活体猪胃镜检查实验：初学组、高级组医师各5名，每人分别操控RDES及普通内镜（间隔2周）行活体猪胃镜检查6次，比较检查时间。（2）仿真胃模型内壁画圆实验：初学组、高级组医师各5名，每人分别操控RDES 1∶1、RDES 5∶1模式和普通内镜完成画圆实验各6次，比较3种方式完成时间、准确度（即轨迹偏差）和工作量。结果:RDES运行良好，力反馈良好。活体猪胃镜检查实验中，胃镜检查均顺利完成，无黏膜损伤及出血、穿孔。初学组和高级组医师操控RDES的检查时间均随操控例次增加呈下降趋势，但操控RDES的下降值大于操控普通内镜（初学组 P=0.033；高级组 P=0.023）。仿真胃模型内壁画圆实验中，初学组医师操控RDES 1∶1、5∶1模式完成内镜下画圆时间均短于普通内镜［1.68（1.40，2.17）min、1.73（1.47，2.37）min比4.13（2.27，5.16）min， H=32.506， P<0.001］，轨迹偏差均优于普通内镜［（0.50±0.11）mm、（0.46±0.11）mm比（0.82±0.26）mm， F=38.999， P<0.001］，工作量均小于普通内镜［42.00（30.00，50.33）分、43.33（35.33，54.00）分比52.67（48.67，63.33）分， H=20.056， P<0.001］；高级组医师操控RDES 1∶1、5∶1模式完成时间均长于普通内镜［1.72（1.37，2.53）min、1.57（1.25，2.58）min比1.15（0.86，1.58）min， H=13.233， P=0.001］，但轨迹偏差［0.47（0.13，0.57）mm、0.44（0.39，0.58）mm比0.52（0.42，0.59）mm， H=3.202， P=0.202］、工作量［（44.62±21.77）分、（41.24±12.57）分比（44.71±17.92）分， F=0.369， P=0.693］和普通内镜差异无统计学意义。 结论:RDES可实现远台操控，大大降低了工作强度；RDES可同时调控大小旋钮，使操控更灵活；RDES增加了运动比模式，使操控更精细；RDES易于初学者掌握，有望缩短医师培养周期；RDES为实现内镜远程操控和全自动消化内镜提供了可能。

机器人辅助经皮冠状动脉介入治疗(R-PCI)是指基于主从控制技术的血管介入导航控制系统进行的经皮冠状动脉介入治疗(PCI).机器人的辅助有助于实现精准定位病变、优化球囊和支架导管输送路径,使得手术流程标准化,提高手术精确度,从而减少手术并发症.该文介绍R-PCI的发展史、安全性和有效性、临床和技术的优势与不足,以及未来应用的前景.

在当前手术照明系统中,手动调节光照位置以消除遮挡物阴影的操作会导致外科医生的注意力分散,且存在污染手术区域无菌环境的可能性,为解决这一问题,提出了一种智能双臂无影灯系统解决方案.采用串联型五自由度双机械臂构建照明系统并建立了D-H数学模型,对机械臂的正、逆运动学进行了求解;针对交叉聚焦照射和主从补光照射两种临床光照场景,提出了相应的双臂协同运动约束机制和运动规划方法;最后,在MATLAB环境中对双臂无影灯系统的协同运动控制算法进行了仿真分析.研究结果表明:双臂协同运动控制算法可行且效果良好,双臂末端和各关节的运动轨迹均柔顺、无突变,智能双臂无影灯系统能够很好地满足手术中的光照调节要求.

目的 设计一种基于直流载波通信的主从式控制系统,以满足及解决漫游电治疗仪因采用机头与台车分离式设计带来的通信接口电气隔离要求与控制难题.方法 微控制器根据电力载波通信原理对直流电源加载低频载波后,通过主控制器的精密采样电路对其进行捕获,完成机头控制端对台车控制端工作状态的识别.结果 采用无专用通信线缆的对接口,避免了电气隔离的复杂处理,仅依靠电源的直流载波通信方法实现了漫游电治疗仪机头控制端对台车控制端工作状态的实时检测.结论 本文设计出的基于直流载波通信的主从式控制系统,为采用机头与台车分离式设计带来的控制难题提供了新的技术解决方案.

目的 针对医疗器械供应链体系查询时间长、数据存储安全性差的问题,构建基于主从联盟链结构的医疗器械供应链追溯体系.方法 通过提取医疗器械供应链的特征值,构建供应链间的时空关系矩阵,根据医疗器械供应链的分类情况,得到供应链的分布状态,完成医疗器械供应链的跟踪.对获取的医疗器械标签图像进行转化及图像分割,结合二次插补法归一化处理医疗器械标签图像,识别医疗器械标签.以医疗器械供应链的参与主体为主联盟链,主联盟链的参与主体和第三方监管机构为从联盟链,加密供应链数据,利用主从联盟链模型,构建医疗器械供应链追溯体系.结果 实验结果表明,本研究体系在医疗器械供应链追溯中,可以将查询时间控制在5 s以内,供应链追溯过程中密文变化率平均值为92%,提高了医疗器械供应链的追溯效率及安全性.结论 本研究基于主从联盟链结构的医疗器械供应链追溯体系可以提高供应链透明度和可信性,加强医疗器械监管,提高企业自律性和医疗器械安全性,具有较高的实际应用性.

目的 研究自动测量软组织厚度的关键技术,设计一种自动测量组织厚度的器械,通过实验验证其可行性及准确性.方法 设计测厚实验系统,采用直流减速编码器电机实现对测量结构的反馈和控制,按照结构内部的传动关系建立主从运动量间的关系式,即电机转轴转动圈数与器械前端所夹组织厚度的关系,从而实现测厚功能.根据实验组与对照组的结果分析测试实验系统的误差与分布情况.结果9组实验共产生27对厚度数据,其误差平均值为-0.07 mm,方差为0.03 mm2.按实验次数分组,其组内误差波动较小;按厚度值分组,其组内误差波动较大.结论 采用该器械测量厚度是可行的,但还存在一定误差;实验批次决定了器械测量的初始位置,对测量结果影响较大;不同厚度值对应器械前端不同的开口角度,对测量结果影响较小.

目的 研究设计复位力量大、操作精度高、数字化主从控制的股骨干骨折复位机器人,降低医务人员手术强度和辐射风险、提高复位精度和稳定性.方法 分析骨折治疗的方法及流程,设计骨折复位机器人的工作流程,以嵌入式微控制器LPC1788为核心,选用微控制器的串行通信引脚接收复位指令,分析处理完成后通过微控制器的PWM引脚输出控制信号,信号经差分变换后传输给从机械臂的伺服驱动系统,精确控制操作杆执行复位指令,引入反馈监测和童锁功能,增强了系统可靠性.结果 在软硬件联合调试过程中,控制系统在正常操作和模拟各种异常或错误操作的情况下,全程无任何错误输出.结论 股骨干骨折复位机器人的主从控制系统运行安全稳定,能有效滤除各种错误,输出准确、操作性强,具有重要的临床意义.

目的:为解决目前输尿管软镜(flexible ureteroscopy,FURS)手术过程中存在的操作难度大、稳定性差、手术姿势及协作空间不符人体工程学原理等问题,设计并研发机器人辅助FURS手术系统.方法:设计机器人辅助FURS手术系统,完成工业样机制备,应用3D打印结石肾脏模型及动物实验(猪)验证系统的可行性和使用效果.结果:成功设计“主从”操作模式的机器人辅助FURS手术系统并制备工程样机,实现对FURS各种维度运动的控制,光纤传送系统辅助激光光纤的递送和回撤,3D打印结石肾脏模型及动物实验(猪)客观验证评价了本机器人系统的运动控制效果及操作性能.结论:本研究设计研发的机器人辅助FURS手术系统成功实现对软镜的灵活操控,能够降低传统软镜手术的操作难度、缩短学习曲线、增强操作稳定性、提高术者操作舒适度,从而提高FURS手术的效率与效果.

目的 针对具有参数时变、强耦合以及非线性等复杂特性的神经系统,提出了一种神经元放电模式同步的UKF-RBF-PID控制策略.方法 首先考虑到神经元膜上离子运动的随机性以及测量的干扰性,提出一种基于UKF(unscented Kalman filter)的神经元滤波方法,应用采样点集迭代过程实现更高的滤波估计精度;其次定义Jacobian阵表示计算值对激励变化的灵敏度信息,利用RBF(radial basis function)神经网络构建从神经元的在线辨识模型;最后设计了PID(proportion integration differentiation)控制器参数动态调整的规则,给出了参数调整的梯度下降法,经迭代实现从神经元和主神经元放电模式的同步.结果 针对主从神经元脉冲发放状态的规则性差异情况,以及主从神经元模型参数不匹配的情形,分别进行了相应的仿真计算实验.主神经元为周期状态,从神经元为混沌状态,系统相位相关度0.9996,同步误差0.3907,主从神经元呈现较好的跟随状态;主从神经元均为初始状态不一致的周期类型,系统相位相关度0.9994,同步方差处于合理水平,主从神经元呈现较好的跟随状态;主、从神经元均为初始状态一致的周期类型,其中主神经元为标准参数,从神经元参数失配,系统相位相关度0.9996,有噪声干扰时,神经元间同步方差可接受.结论 在噪声的干扰下,主从神经元实现了神经元间的同步,证明了本文提出方法的有效性,有望应用到深部脑刺激治疗方案中.