本文選題：輸尿管軟鏡　切入點：醫(yī)工結(jié)合　出處：《中國人民解放軍醫(yī)學院》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：研究背景近年來,輸尿管軟鏡技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展,為泌尿外科上尿路疾病的診治提供一種新的微創(chuàng)診療手段,在臨床上得到了越來越多的開展與應(yīng)用。然而,傳統(tǒng)輸尿管軟鏡尚存在操作難度大、穩(wěn)定性差、學習曲線長、鏡體易損壞、手術(shù)姿勢不符合人體工程學原理等缺點,極大地限制了其進一步推廣和應(yīng)用。研究目的本課題著眼于“醫(yī)工結(jié)合”研究方向,將機器人技術(shù)、計算機技術(shù)、3D打印等工科學科與醫(yī)學相結(jié)合,研發(fā)并設(shè)計輸尿管軟鏡手術(shù)輔助機器人系統(tǒng),解決目前輸尿管軟鏡手術(shù)過程中存在的操作難度大、穩(wěn)定性差、手術(shù)姿勢不符合人體工程學原理等問題,以實現(xiàn)縮短學習曲線、提高手術(shù)質(zhì)量的目的。研究方法(1)分析輸尿管軟鏡手術(shù)過程中、輸尿管軟鏡的各種運動方式,并且測量本研究中模式軟鏡(Storz Flex-X2 )的相關(guān)硬件參數(shù)。(2 )設(shè)計輸尿管軟鏡手術(shù)輔助機器人系統(tǒng)、實現(xiàn)對軟鏡各種維度運動的控制,設(shè)計光纖傳送系統(tǒng)輔助激光光纖的遞送和回撤,并最終完成工業(yè)樣機的制備,對其基本功能進行初步測試。(3)收集腎臟結(jié)石患者的CT掃描資料,對患者腎臟集合系統(tǒng)、結(jié)石進行三維重建,并利用3D打印技術(shù)制作模擬患者真實腎臟集合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點的腎臟結(jié)石模型,為下一步機器人系統(tǒng)的評價和其他輔助應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。(4)基于3D打印腎臟結(jié)石模型,進行輸尿管軟鏡手術(shù)輔助機器人系統(tǒng)的操控性能及輔助效果的試驗評價。四名有輸尿管軟鏡手術(shù)經(jīng)驗的泌尿外科醫(yī)生、以及四名無軟鏡操作經(jīng)驗的醫(yī)生各自進行4例腎臟的軟鏡檢查,采用機器人輔助的方式進行,記錄每名操作者完成每個腎臟檢查所用時間、檢查到的腎盞總數(shù)、并填寫操作舒適度量表;此外,對激光光纖傳送系統(tǒng)功能進行驗證,觀察操作者能否通過系統(tǒng)傳送光纖至目標結(jié)石部位。(5)初步探索3D打印技術(shù)在腎盂腎下盞漏斗角(IPA) 30°的腎臟下盞結(jié)石軟鏡治療過程中的輔助作用;此外,基于磁定位原理,構(gòu)建輸尿管軟鏡手術(shù)導航系統(tǒng),并初步探索該導航系統(tǒng)在輸尿管軟鏡手術(shù)中的輔助作用。結(jié)果(1)輸尿管軟鏡在手術(shù)過程中共存在三種維度的運動,分別為沿鏡體軸線的前后直線運動、繞鏡體軸線的旋轉(zhuǎn)運動、軟鏡撥片控制的軟鏡末端的彎曲。我們測量并記錄了本研究中模式軟鏡Storz Flex-X2的硬件參數(shù),以此作為之后機器人系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。(2 )成功設(shè)計了“主從”操作模式的輸尿管軟鏡手術(shù)輔助機器人系統(tǒng),并制備了工程樣機。通過輸尿管軟鏡支架的機械傳動設(shè)計,術(shù)者通過操作桿的控制、遠程控制完成軟鏡的進退、旋轉(zhuǎn)、彎曲三個維度的運動;集成了激光光纖傳送系統(tǒng),術(shù)者通過控制器獨自完成光纖的遞送和回撤,避免了配合失誤、節(jié)約人力成本;此外,機器人系統(tǒng)還兼具撥片限位保護、術(shù)中快速撤離、無菌套隔離等功能,保證了手術(shù)的順利開展。(3 )通過Mimics軟件,利用腎臟結(jié)石患者CT平掃序列和分泌期序列分別完成對結(jié)石、集合系統(tǒng)的三維重建,并轉(zhuǎn)換為STL格式文件;再利用光固化技術(shù)成功打印出腎臟結(jié)石模型,經(jīng)過輸尿管軟鏡的檢查與驗證,內(nèi)部的腎盂、腎盞結(jié)構(gòu)、結(jié)石位置等信息與患者真實情況相符,并且整個模型制作過程耗時短、成本低,具有很好的應(yīng)用前景。(4)腎臟結(jié)石模型試驗結(jié)果顯示,對于有軟鏡經(jīng)驗的醫(yī)生,在經(jīng)過1個小時的機器人操作培訓后,操控機器人系統(tǒng)能夠完成對所有腎小盞的檢查(34/34 ),且檢查時間與既往傳統(tǒng)軟鏡操作無明顯差距,表明本機器人系統(tǒng)具有良好的操控性能;而對于無軟鏡操作經(jīng)驗的醫(yī)生,使用機器人系統(tǒng)能夠檢查到絕大部分的腎小盞(32/34 ),且平均檢查時間與有軟鏡經(jīng)驗醫(yī)生無明顯差距(3.05 min vs 3.37 min, P 0.05),這也從另一方面表明本機器人輔助系統(tǒng)能夠降低傳統(tǒng)軟鏡手術(shù)的操作難度、有效縮短軟鏡手術(shù)的學習曲線。此外,舒適度評價量表結(jié)果表明本機器人系統(tǒng)可顯著改善手術(shù)過程中的術(shù)者舒適度。最后,光纖傳送系統(tǒng)可成功實現(xiàn)對光纖遞送與回撤的自動控制。(5 )成功制作了 IPA 30°的腎下盞結(jié)石模型,術(shù)前進行操作可行性驗證顯示可以通過被動轉(zhuǎn)向技巧實現(xiàn)軟鏡順利進入腎臟下盞;并且在術(shù)前利用腎臟結(jié)石模型進行患者特異性操控技巧的練習,使術(shù)者更加熟悉該患者腎臟集合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點及結(jié)石位置,掌握操作技巧、增強手術(shù)信心。此外,成功建立了輸尿管軟鏡手術(shù)導航系統(tǒng),能夠?qū)崟r顯示輸尿管軟鏡末端在腎臟集合系統(tǒng)重建圖像內(nèi)的具體位置,從而幫助術(shù)者在術(shù)中更直觀的掌握軟鏡的空間位置信息,縮短輸尿管軟鏡手術(shù)學習曲線、提高手術(shù)安全性。結(jié)論本研究設(shè)計研發(fā)的輸尿管軟鏡手術(shù)機器人輔助系統(tǒng)成功實現(xiàn)對軟鏡的靈活操控,能夠降低傳統(tǒng)軟鏡手術(shù)的操作難度、縮短學習曲線、增強操作穩(wěn)定性、提高術(shù)者操作舒適度,從而提高輸尿管軟鏡手術(shù)的效率與效果。此外,我們將3D打印技術(shù)和磁導航技術(shù)成功用于輸尿管軟鏡術(shù)前與術(shù)中,分別輔助IPA 30°腎臟下盞的治療以及軟鏡操作的空間定位,以醫(yī)工結(jié)合的手段解決目前輸尿管軟鏡手術(shù)過程中存在的部分困難與挑戰(zhàn)。
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【學位授予單位】：中國人民解放軍醫(yī)學院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP242;R699.4

【參考文獻】

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