本書以臨床需求為目標(biāo)，主要介紹導(dǎo)管/導(dǎo)絲協(xié)同操作血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和基于經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的血管介入手術(shù)機(jī)器人人機(jī)協(xié)作策略，包括: 血管介入手術(shù)機(jī)器人概述、主從式血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成、雙滑塊式血管介入手術(shù)機(jī)器人從端操作器、高臨場感血管介入手術(shù)機(jī)器人主端操作器、血管介入手術(shù)機(jī)器人安全策略、血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)性能評價、血管介入手術(shù)機(jī)器人人機(jī)協(xié)作策略。本書主要讀者為從事手術(shù)機(jī)器人研究的專業(yè)技術(shù)人員和醫(yī)療、機(jī)器人等相關(guān)專業(yè)的研究生，可以作為醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的前沿參考書, 幫助醫(yī)療機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究人員、學(xué)生和技術(shù)人員掌握基本原理與基本知識, 了解業(yè)界前沿技術(shù), 還可供臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的醫(yī)生了解相關(guān)工程實(shí)踐進(jìn)展情況。
（1）本書作者在血管介入手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域深耕多年，是國際上該領(lǐng)域有重要影響力的學(xué)者之一。（2）書中內(nèi)容是作者及其團(tuán)隊(duì)開展血管介入手術(shù)機(jī)器人研究的代表性成果之一。（3）本書設(shè)計(jì)的血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，充分考慮醫(yī)生工作環(huán)境、操作習(xí)慣，在手術(shù)操作精度、醫(yī)生操作臨場感、手術(shù)操作安全性等方面，具有較高的優(yōu)勢。（4）本書結(jié)合深度學(xué)習(xí),創(chuàng)新性地提出一種基于醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的血管介入手術(shù)機(jī)器人人機(jī)協(xié)作策略。（5）書中圖表、數(shù)據(jù)翔實(shí)，在理論介紹的基礎(chǔ)上，更注重實(shí)際臨床實(shí)驗(yàn)的效果，對我國未來血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施具有重要參考意義。
手術(shù)機(jī)器人是前沿科技的典型代表，并處于機(jī)器人和醫(yī)療健康兩大學(xué)科方向交匯點(diǎn)。而對于手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)介紹的書并不多，且涉及血管介入手術(shù)機(jī)器人的書更是寥寥。血管介入手術(shù)機(jī)器人是一個復(fù)雜的技術(shù)集成系統(tǒng)，完全了解和掌握相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)并不容易。因此，市場上需要一本技術(shù)著作，讓學(xué)術(shù)研究者、從業(yè)者甚至普通大眾對血管介入手術(shù)機(jī)器人有一個全面的認(rèn)識，加深對手術(shù)機(jī)器人行業(yè)的理解。
我國心腦血管疾病患者數(shù)量已超3億。心腦血管疾病發(fā)病率高、致殘率高、病死率高，給個人、家庭和社會帶來巨大的精神壓力和沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。血管介入手術(shù)機(jī)器人旨在結(jié)合機(jī)器人技術(shù)與傳統(tǒng)血管介入技術(shù)，利用機(jī)器人的快速性、高穩(wěn)定性、高定位精度、高計(jì)算能力和豐富的傳感信息，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生能力的拓展和延伸，解決傳統(tǒng)血管介入手術(shù)存在的問題和局限性。
本書面向心腦血管疾病的臨床需求，以減少醫(yī)生輻射傷害、降低醫(yī)生慢性疾病風(fēng)險、提高手術(shù)操作精度、增強(qiáng)醫(yī)生操作臨場感、增加手術(shù)操作安全性為目標(biāo)，設(shè)計(jì)符合醫(yī)生操作習(xí)慣的血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，充分利用醫(yī)生現(xiàn)有操作經(jīng)驗(yàn)，完成對醫(yī)生臨床手術(shù)操作輔助任務(wù)�，F(xiàn)有血管介入手術(shù)機(jī)器人依然處于非智能水平，因而高度依賴醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)技巧，成為限制其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。本書首次結(jié)合深度學(xué)習(xí)，并提出一種基于醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的血管介入手術(shù)機(jī)器人人機(jī)協(xié)作策略。
本書中涉及技術(shù)的研究工作得到國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）先進(jìn)技術(shù)制造領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目高端心腦血管實(shí)時介入輔助機(jī)器人系統(tǒng)的支持。本書作者團(tuán)隊(duì)開展血管介入手術(shù)機(jī)器人研究二十多年，結(jié)合實(shí)施動物實(shí)驗(yàn)、臨床試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，體系化地介紹了血管介入手術(shù)機(jī)器人在輔助醫(yī)生手術(shù)過程中的主要難題以及解決方法，形成以導(dǎo)管/導(dǎo)絲協(xié)同操作技術(shù)基于醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)技巧的高臨場感技術(shù)分層式手術(shù)操作安全策略基于醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的人機(jī)協(xié)作手術(shù)為基礎(chǔ)的血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)。本書可為我國未來血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供重要參考，具有重要的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用價值。
本書的出版離不開各位同行學(xué)者和課題組各位老師的支持，在這里表示由衷的感謝與敬意！
限于作者水平，書中難免有疏漏之處，懇請各位讀者批評指正！
作者
2022年7月
郭書祥，博士、日本工程院外籍院士、IEEE Fellow, 國家海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃教授， 長江學(xué)者獎勵計(jì)劃 教授，工業(yè)和信息化部融合醫(yī)工系統(tǒng)與健康工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，擔(dān)任IEEE ICMA國際會議的創(chuàng)始大會主席以及IJMA國際期刊主編等學(xué)術(shù)職務(wù)。長期從事微機(jī)器人技術(shù)、血管介入機(jī)器人系統(tǒng)等方面的研究工作。在世界上率先開發(fā)出直徑 1mm的兩種腦血管檢查微系統(tǒng)，研制的具有3自由度的仿生魚形微機(jī)器人屬世界首創(chuàng)，曾在世界權(quán)威雜志 New Scientist 上介紹報道。主持省部級以上課題10余項(xiàng)，包括科技部863課題和日本國文部科學(xué)省重點(diǎn)科研項(xiàng)目。發(fā)表被SCI收錄學(xué)術(shù)論文170多篇，主編大型學(xué)術(shù)專著10部。擁有40余項(xiàng)機(jī)器人和微系統(tǒng)方面的發(fā)明專利。獲國際學(xué)術(shù)獎14項(xiàng)、省部級二等獎2項(xiàng)。
第1章概述1
1.1醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展機(jī)遇1
1.2醫(yī)療機(jī)器人的歷史變革2
1.2.1手術(shù)機(jī)器人2
1.2.2血管介入手術(shù)5
1.2.3血管介入手術(shù)機(jī)器人8
1.3血管介入手術(shù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀10
1.3.1國外血管介入手術(shù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀10
1.3.2國內(nèi)血管介入手術(shù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀21
1.4自主/半自主手術(shù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀28
1.5現(xiàn)有研究存在的問題及啟示35
1.6本書內(nèi)容37
第2章主從式血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成39
2.1引言392.2血管介入手術(shù)概述39
2.2.1總體介紹39
2.2.2導(dǎo)管室及手術(shù)器械40
2.2.3臨床手術(shù)步驟41
2.3血管介入手術(shù)機(jī)器人功能需求分析42
2.4血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成44
2.5本章小結(jié)48
第3章雙滑塊式血管介入手術(shù)機(jī)器人從端操作器49
3.1引言49
3.2雙滑塊式協(xié)同操作概念設(shè)計(jì)50
3.2.1靜態(tài)爬行步態(tài)50
3.2.2導(dǎo)管/導(dǎo)絲形變消除51
3.2.3模塊化無菌裝配53
3.3雙滑塊式協(xié)同操作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)54
3.3.1整體方案設(shè)計(jì)54
3.3.2夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)56
3.3.3模塊化無菌操作設(shè)計(jì)56
3.3.4力學(xué)測量機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)58
3.3.5整體樣機(jī)59
3.4雙滑塊式從端操作器性能測評60
3.4.1整體樣機(jī)60
3.4.2力學(xué)測量性能測評實(shí)驗(yàn)61
3.4.3裝拆效率測評實(shí)驗(yàn)64
3.4.4手術(shù)操作效率測評實(shí)驗(yàn)65
3.5本章小結(jié)67
第4章高臨場感血管介入手術(shù)機(jī)器人主端操作器68
4.1引言68
4.2主端操作器及混合式力反饋技術(shù)概述69
4.3基于位置環(huán)-傳感器閉環(huán)控制的主動式力反饋70
4.4基于磁粉的被動式力反饋74
4.4.1磁粉扭矩傳遞機(jī)制分析74
4.4.2被動式力反饋設(shè)計(jì)79
4.5主端操作器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)82
4.5.1直線力反饋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)82
4.5.2旋轉(zhuǎn)扭矩反饋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)84
4.6主端操作器性能驗(yàn)證85
4.6.1力反饋性能驗(yàn)證85
4.6.2運(yùn)動信號采集性能驗(yàn)證87
4.7本章小結(jié)89
第5章血管介入手術(shù)機(jī)器人安全策略90
5.1引言90
5.2臨床手術(shù)分層操作概念91
5.3基于分層操作的安全策略92
5.3.1安全策略總體設(shè)計(jì)92
5.3.2運(yùn)動保護(hù)機(jī)構(gòu)94
5.3.3分層力反饋98
5.3.4運(yùn)動縮減控制100
5.4安全策略實(shí)驗(yàn)標(biāo)定與參數(shù)設(shè)計(jì)101
5.4.1運(yùn)動保護(hù)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定101
5.4.2分層力反饋及運(yùn)動縮減控制參數(shù)設(shè)計(jì)106
5.5力學(xué)測量補(bǔ)償110
5.5.1力學(xué)測量補(bǔ)償分析110
5.5.2實(shí)驗(yàn)標(biāo)定112
5.5.3性能驗(yàn)證1155.6
本章小結(jié)117
第6章血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)性能評價118
6.1引言1186.2主從跟隨性能測評119
6.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置119
6.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果119
6.2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析120
6.3協(xié)同操作性能測評121
6.3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置122
6.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果122
6.3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析126
6.4分層式安全策略性能測評129
6.4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置129
6.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果130
6.4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析130
6.5本章小結(jié)133
第7章血管介入手術(shù)機(jī)器人人機(jī)協(xié)作策略134
7.1引言135
7.2基于人機(jī)信任度的主從動態(tài)映射模型136
7.2.1人機(jī)信任度模型136
7.2.2機(jī)器人表現(xiàn)模型136
7.2.3主從動態(tài)映射模型137
7.3基于導(dǎo)管操作力狀態(tài)識別的主從動態(tài)映射模型138
7.3.1導(dǎo)管操作力狀態(tài)識別模型139
7.3.2訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集構(gòu)建及網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練140
7.3.3主從動態(tài)映射模型141
7.4基于主從動態(tài)映射的人機(jī)共享控制算法142
7.5基于人機(jī)共享控制的人機(jī)協(xié)作策略143
7.6基于人機(jī)信任度主從動態(tài)映射模型仿真分析144
7.7基于主從動態(tài)映射模型的人機(jī)協(xié)作策略特性評價146
7.7.1CCD相機(jī)影像下實(shí)驗(yàn)平臺搭建146
7.7.2CCD相機(jī)影像下人機(jī)協(xié)作手術(shù)評價實(shí)驗(yàn)結(jié)果147
7.7.3手術(shù)室DSA影像下實(shí)驗(yàn)平臺搭建150
7.7.4手術(shù)室DSA影像下人機(jī)協(xié)作手術(shù)評價實(shí)驗(yàn)結(jié)果152
7.8本章小結(jié)156
參考文獻(xiàn)157
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