一种用于微创神经外科手术的紧凑型手持式连续性操作器

《Journal of Robotic Surgery》：A compact hand-held continuum manipulator for minimally invasive neurosurgery

微创神经外科手术中，新型手持式连续型机械臂通过交替堆叠刚柔盘片实现灵活操作，结合高扭矩减速电机驱动绳索机构，经Cosserat杆理论模拟和有限元分析验证，在狭窄空间展现出42.2°最大尖端角度和50g载重能力，显著优于传统刚性器械，为人机协同手术平台奠定基础。

　　

摘要

微创神经外科手术在切除深部脑肿瘤和颅底病变方面应用广泛。然而，由于手术路径和空间极为狭窄，器械的操作灵活性受到限制，这对神经外科医生来说是一个挑战。即使是基于机器臂的干预措施也难以实施，因为这些手术通常需要频繁更换器械。因此，结合人类的灵巧性和机器人的辅助可以成为一个很好的解决方案。为此，我们开发了一种专用的人工操控手持式器械原型，该器械能够在狭小的手术环境中轻松移动。这种操控器是一种连续体类型的机器人，通过交替堆叠硬质和柔性圆盘构成，由连接到高扭矩减速电机上的肌腱线驱动。我们利用Cosserat-rod理论对操控器的机械结构进行了模拟，并通过有限元分析和带有校准重物的物理实验进行了验证。随后，将该操控器与手持操作单元集成在一起，并在神经内窥镜训练器中对其功能进行了测试，最后在人类尸体头部上进行了实际验证。该原型的设计简单、驱动单元紧凑，不仅制造方便，而且在狭小空间内具有更好的操作灵活性，同时受到外科医生的普遍欢迎。在2.943牛顿的悬吊重量下，该操控器的最大尖端角度为42.2°，并且能够成功支撑高达50克的负载而不会造成结构损坏。在神经内窥镜训练器和尸体上的功能测试表明，与刚性器械相比，该操控器具有更出色的操作灵活性和更好的可及性，能够顺利到达颅底的延伸区域或偏轴部位。因此，所展示的操控器满足了实用手持式器械在微创神经外科手术中的关键设计要求，为未来的临床应用奠定了基础。