研究背景近年来,输尿管软镜技术的出现与发展,为泌尿外科上尿路疾病的诊治提供一种新的微创诊疗手段,在临床上得到了越来越多的开展与应用。然而,传统输尿管软镜尚存在操作难度大、稳定性差、学习曲线长、镜体易损坏、手术姿势不符合人体工程学原理等缺点,极大地限制了其进一步推广和应用。研究目的本课题着眼于“医工结合”研究方向,将机器人技术、计算机技术、3D打印等工科学科与医学相结合,研发并设计输尿管软镜手术辅助机器人系统,解决目前输尿管软镜手术过程中存在的操作难度大、稳定性差、手术姿势不符合人体工程学原理等问题,以实现缩短学习曲线、提高手术质量的目的。研究方法(1)分析输尿管软镜手术过程中、输尿管软镜的各种运动方式,并且测量本研究中模式软镜(Storz Flex-X2 )的相关硬件参数。(2 )设计输尿管软镜手术辅助机器人系统、实现对软镜各种维度运动的控制,设计光纤传送系统辅助激光光纤的递送和回撤,并最终完成工业样机的制备,对其基本功能进行初步测试。(3)收集肾脏结石患者的CT扫描资料,对患者肾脏集合系统、结石进行三维重建,并利用3D打印技术制作模拟患者真实肾脏集合系统结构特点的肾脏结石模型,为下一步机器人系统的评价和其他辅助应用奠定基础。(4)基于3D打印肾脏结石模型,进行输尿管软镜手术辅助机器人系统的操控性能及辅助效果的试验评价。四名有输尿管软镜手术经验的泌尿外科医生、以及四名无软镜操作经验的医生各自进行4例肾脏的软镜检查,采用机器人辅助的方式进行,记录每名操作者完成每个肾脏检查所用时间、检查到的肾盏总数、并填写操作舒适度量表;此外,对激光光纤传送系统功能进行验证,观察操作者能否通过系统传送光纤至目标结石部位。(5)初步探索3D打印技术在肾盂肾下盏漏斗角(IPA) <30°的肾脏下盏结石软镜治疗过程中的辅助作用;此外,基于磁定位原理,构建输尿管软镜手术导航系统,并初步探索该导航系统在输尿管软镜手术中的辅助作用。结果(1)输尿管软镜在手术过程中共存在三种维度的运动,分别为沿镜体轴线的前后直线运动、绕镜体轴线的旋转运动、软镜拨片控制的软镜末端的弯曲。我们测量并记录了本研究中模式软镜Storz Flex-X2的硬件参数,以此作为之后机器人系统设计的基础。(2 )成功设计了“主从”操作模式的输尿管软镜手术辅助机器人系统,并制备了工程样机。通过输尿管软镜支架的机械传动设计,术者通过操作杆的控制、远程控制完成软镜的进退、旋转、弯曲三个维度的运动;集成了激光光纤传送系统,术者通过控制器独自完成光纤的递送和回撤,避免了配合失误、节约人力成本;此外,机器人系统还兼具拨片限位保护、术中快速撤离、无菌套隔离等功能,保证了手术的顺利开展。(3 )通过Mimics软件,利用肾脏结石患者CT平扫序列和分泌期序列分别完成对结石、集合系统的三维重建,并转换为STL格式文件;再利用光固化技术成功打印出肾脏结石模型,经过输尿管软镜的检查与验证,内部的肾盂、肾盏结构、结石位置等信息与患者真实情况相符,并且整个模型制作过程耗时短、成本低,具有很好的应用前景。(4)肾脏结石模型试验结果显示,对于有软镜经验的医生,在经过1个小时的机器人操作培训后,操控机器人系统能够完成对所有肾小盏的检查(34/34 ),且检查时间与既往传统软镜操作无明显差距,表明本机器人系统具有良好的操控性能;而对于无软镜操作经验的医生,使用机器人系统能够检查到绝大部分的肾小盏(32/34 ),且平均检查时间与有软镜经验医生无明显差距(3.05 min vs 3.37 min, P> 0.05),这也从另一方面表明本机器人辅助系统能够降低传统软镜手术的操作难度、有效缩短软镜手术的学习曲线。此外,舒适度评价量表结果表明本机器人系统可显著改善手术过程中的术者舒适度。最后,光纤传送系统可成功实现对光纤递送与回撤的自动控制。(5 )成功制作了 IPA < 30°的肾下盏结石模型,术前进行操作可行性验证显示可以通过被动转向技巧实现软镜顺利进入肾脏下盏;并且在术前利用肾脏结石模型进行患者特异性操控技巧的练习,使术者更加熟悉该患者肾脏集合系统的结构特点及结石位置,掌握操作技巧、增强手术信心。此外,成功建立了输尿管软镜手术导航系统,能够实时显示输尿管软镜末端在肾脏集合系统重建图像内的具体位置,从而帮助术者在术中更直观的掌握软镜的空间位置信息,缩短输尿管软镜手术学习曲线、提高手术安全性。结论本研究设计研发的输尿管软镜手术机器人辅助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,从而提高输尿管软镜手术的效率与效果。此外,我们将3D打印技术和磁导航技术成功用于输尿管软镜术前与术中,分别辅助IPA< 30°肾脏下盏的治疗以及软镜操作的空间定位,以医工结合的手段解决目前输尿管软镜手术过程中存在的部分困难与挑战。