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2023仿生智能与机器人:腹腔内升壁装置设计与分析
仿生智能与机器人3(2023)100090研究一种vNOTES腹腔内升壁装置的设计与分析王杰a,b,1,周越a,1,肖晓c,刘晓,王教乐d,刘丽a,刘晓,2a香港中文大学电子工程系,香港999077,中国b清华大学生物医学工程系,北京100084c南方科技大学电子电气工程系,深圳518055d哈尔滨工业大学(深圳)机械工程及其自动化系,深圳518055ar t i cl e i nf o文章历史记录:2022年11月29日收到2023年1月7日修订2023年1月28日接受在线预订2023年保留字:无气NOTES经阴道NOTES腹部提升装置大挠度受压柱a b st ra ct经自然腔道内镜手术(NOTES)具有痛苦小、住院时间短、美容效果好等优点,已引起学术界的广泛关注。对于NOTES,气腹是获得腹腔内手术空间的必要技术在本文中,我们提出了一种新的腹腔内升壁装置,可以取代功能性经阴道NOTES(vNOTES)的气腹。该装置主要由两层弹性条组成,外带用于提起腹壁以进行手术暴露,安装有可旋转的摄像机以提供宽的手术视野。采用该设计,可以在82.74%的手术野由气腹提供的情况下进行无气体vNOTES详细论述了该装置的设计原理和运动学分析,并进行了实验验证。最后,制作了一个原型,以证明所提出的概念的可行性版权所有2023作者。由Elsevier B.V.代表山东大学出版。这是一个开放的访问CC BY许可下的文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。1. 介绍历史见证了手术范式的转变,从开放手术到腹腔镜手术,又称微创手术。与开腹手术相比,腹腔镜手术具有住院时间短、创伤小、出血少、术后疼痛轻因此,腹腔镜手术变得越来越重要,逐渐 取 代 开 放 手 术 。 然 而 , 最 新 的 自 然 腔 道 经 腔 内 镜 手 术(NOTES)的手术模式已经引起了研究界的关注,因为它具有腹腔镜手术的所有优点,并且具有显著的美容效果[1]。与MI手术相比,NOTES可以通过口腔、阴道和肛门等自然孔口进入腹腔,可以被视为“无疤痕手术”*通讯作者。电子邮件地址:ieee.org(X. Xiao),liliu@cuhk.edu.hk(L.Liu).1 这些作者对这项工作作出了同等贡献,应被视为共同第一作者。2 鉴于他是该杂志的副主编在同行评议这篇文章,并没有获得有关其同行评议的信息。这篇文章的编辑过程的全部责任被委托给教授。李一斌https://doi.org/10.1016/j.birob.2023.1000902005年,美国胃肠和内窥镜外科医师学会和美国胃肠内窥镜学会成立了NOTES评估和研究自然孔口联盟的专门组织次年,该组织发表了《NOTES白皮书》,讨论了NOTES的研究背景、研究现状、未解决的问题和目标[2],推动了NOTES范式的发展和进步各种途径,如经胃,经肛门,经尿道和经阴道NOTES途径,已成为重点,在这篇白皮书。如今,经阴道途径或经阴道NOTES(vNOTES)因其安全进入和简单闭合而成为许多外科手术中优于其他途径的最佳选择[3],这已通过多个动物和人尸体实验得到验证[4,5]。因此,本文所阐述的腹壁提升装置的设计原理和运动学分析是针对vNOTES的。虽然腹腔镜手术和NOTES在许多方面不同,但它们都需要相同的技术,即,二氧化碳气腹,如图所示。1.一、利用气腹机通过注气针向腹腔内注入二氧化碳气体,在腹壁与腹腔内器官之间形成然而,一些问题与气腹有关。例如,吹气和2667-3797/©2023作者。由Elsevier B.V.代表山东大学出版。这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表仿生智能与机器人学期刊主页:www.elsevier.com/locate/birobJ. Wang,Y. Zhou,X. Xiao等仿生智能与机器人3(2023)1000902将二氧化碳维持在体腔内可能具有不利的血液动力学和肺效应,甚至导致致命的二氧化碳栓塞(发生率为2.4%)[6]和呼吸衰竭[7]。为了处理这些来自气腹的并发症,研究人员和外科医生开发了一些无气体机械装置作为CO2充注的替代方法[8这些为腹腔镜手术设计的牵开器最近,[11]中报道的无气体NOTES手术是使用手持式牵开器进行的,但其手术部位位于盆腔而不是腹腔。此外,报告了许多腹壁提升器械[12因此,腹腔内无气体NOTES需要一种腹壁提升装置。在本文中,我们提出了一种新的腹腔内升壁装置(IAWL)的vNOTES的腹腔没有CO2吹入。该装置主要由弹性条和钢丝绳组成,具有两种工作形态,即初始形态和手术形态,以适应狭窄入路和大支撑空间的需要。第2节介绍了IAWL的概念设计原则本节通过参考广泛应用的平均尺寸或值,重点分析了IAWL支持的大手术野和钢丝绳保持稳定暴露所需的小起球力之间的权衡所设计的IAWL具有良好的性能。此外,第3节详细讨论了所提出的用于临床精确控制IAWL的装置的运动学分析。在我们的设计中,条带在为vNOTES在腹腔中创建手术空间方面发挥着至关重要的作用。与柱的稳定性不同,这些条带在不稳定状态下工作。为此,建立了一端为固定铰支,另一端为活动铰支的大压杆条形模型,得到了活动铰支移动距离与条形在一定力作用下沿活动铰支方向的挠度之间的关系。第四节中的实验验证了第三节中的理想模型,并制作了一个IAWL原型来证明本节中设计的器件的可行性。第4节和第5节分别介绍了讨论和结论。2. IAWL系统设计IAWL的主要目的是通过提升腹壁为vNOTES提供足够的腹腔暴露,包括两个方面,即足够的功能性手术野和稳定的这两个关键点决定了IAWL的大小和形状本节单独阐述设计细节。2.1. 结构设计如图2所示,所提出的IAWL装置具有两种工作配置,即初始配置(图2)。 2(a.1))和手术配置(图2(a.2)),主要由两层组成。外层由一个外近端、一个外远端和三个外条带组成(图1)。(2)(b.1)通过vNOTES提升腹壁以获得手术空间。一些发光二极管安装在外部条带的内侧,以提供腹腔内的照明(图1)。2(b.2))。此外,在每个条带上有三个锚定销和一个小环,用于钢丝绳布线。三个外部条带以60°间隔安装在外部近端和外部远端上,具有定制的连接器和固定环。两端的凹槽是为了保持连接器Fig. 1. 在人体的横向平面并且当条带弯曲时条带处于正确的位置,如图2(d.3)所示。肩部的结构(图2(d.1)和图2(d.2))允许条带在初始配置中具有小的弯曲角度(θ0>0,图7),从而确保当IAWL装置从初始配置改变到手术配置时条带在正确的方向上弯曲。在内层的结构中可以看到许多相同的设计细节内层由内部近端、内部远端和一个内部条带组成(图11)。 2(c.2))。与外层不同的是,内层是固定的相机(图。(第2(c.1)段)旨在为vNOTES提供手术视野,从而减少手术期间对额外内窥镜的需求。在手术过程中,手术视野的可调节性对于促进手术至关重要因此,具有摄像机的内部为了便于旋转,前者比后者长,如图所示。 2(c.2)。牵引杆(Fig. 2(a.1))是用于在IAWL装置的初始配置和手术配置之间切换的重要工具。通过拉动牵引杆,手术配置从初始配置平移,并且通过锁定钢丝绳保持其形状(图1)。3(b))。在手术期间,移除牵引杆,然后通过内部近端的牵引杆通道将vNOTES的手术操纵器插入腹腔。手术后,在将牵引杆插回腹腔之前移除手术操纵器。在摄像头的帮助下,牵引杆的成形端可以通过牵引杆通道定位外远端上的成形孔,并以正确的角度插入(图2(d.3))。然后,牵引杆应相对于外部远端以直角旋转,确保轴向张力可以在两者之间传递。在牵引杆的拉动下,解锁钢索后,可将拟定的IAWL装置收起。在手术配置中留在体外的支撑件与外部近端固定。它不仅支持IAWL设备,而且还确保正确的位置和角度,器械相对于患者。2.2. 工作原理所提出的IAWL装置的工作原理详述如下:手术前,IAWL器械在其初始配置下借助二氧化碳吹入(可使用手术手套[15]避免漏气)通过宫颈入口进入腹腔,避免插入过程中损伤腹腔内组织值得强调的是器械插入后,将移除气体注入。·J. Wang,Y. Zhou,X. Xiao等仿生智能与机器人3(2023)1000903图二. 所 提出的IAWL装置的3D模型的渲染。该装置具有两种工作配置,即,初始配置(a.1)和手术配置(a.2)。IAWL器件由两层组成。外层(b.1),其由外部近端、外部远端和三个外部条带组成(b.3)使用照明(b.2)进行腹壁提升。内层由内近端、内远端和一个外端组成,带有照相机(c.1)的内部条带(c.2)用于提供手术视图。(d.1)、(d.2)和(d.3)显示了有关电缆布线、部件安装和如何使用的详细信息牵引杆当设备到达指定位置时(图3(a)),通过拉动拉杆打开手术配置,在钢丝绳锁定后将其移除(图3(a))。3(b))。该装置(牵引杆的平移和钢丝绳锁定)可以手动控制或电机控制。如果该装置是手动操作工具,则应在牵引杆上加工刻度线,以便于控制牵引杆平移(位移e如图7所示)。在手术过程中,器械可以通过牵引杆通道插入腹腔(图1)。 2(a.2))。外板内侧的发光二极管(图) 2(b.2))用于手术照明,带有摄像头的内条可以旋转,便于观察手术照明。通过缓慢放松牵引杆,从手术配置变为初始配置该装置最终被2.3. 总体尺寸如图 3,IAWL设备有两个基本的工作配置,如图所示。图3(a)中的另一个用于经阴道插入腹腔(初始构型),图3(b)中的另一个用于在插入后抬高腹壁(手术构型)。如图3(a),国际律师协会装置是工作部分长度Lw和非工作部分长度L w。我外科领域。n手术后,取出器械,然后再次将牵引杆插入牵引杆通道。用牵引杆松开钢丝绳。该设备然后长度l1 在初始配置和最大外部直径D.手术配置中器械的长度Ls取决于功能性手术野的体积,这将在第2.4节中讨论。IAWL设计用于提升···J. Wang,Y. Zhou,X. Xiao等仿生智能与机器人3(2023)1000904我我我我我我图三. 具有两种工作配置的申报器械的示意图,即,初始配置(a)和手术配置(b),与女性腹腔解剖学红色实线表示用于IAWL装置(b)的形状保持的钢缆vNOTES的腹壁。手术目标是腹腔或盆腔内的器官,不包括阴道和宫颈。此外,进入腹膜腔的入口位于子宫颈后的阴道壁。因此,最大长度Lw是横膈膜、腹腔的上边界和阴道后穹窿上的入口Lw的值vNOTES。因此,IAWL的最大外径D为2厘米,并有一个1厘米的通道的拉杆(图。2(a.2))和手术操纵器。作为可重复使用的手术器械,该IAWL的较小D还可以为后续的保护层和灭菌[23]留出空间,这对于在临床手术中应用该IAWL至关重要。值得强调的是,上述尺寸信息-和Ln可以由下式估计:Lw=Xp+Ip−Ic−RcLn=Ic+Rc我(一)本节中从文献中获得的值是基于统计分析的平均值。这里,目的是展示如何确定重要参数,即,工作部分长度Lw和非工作部分长度Ln,其中,Xp表示从耻骨联合到IAWL装置。实际上,这两个关键参数是可以调整的一个病人接一个病人26 cm(Lw)和7.5 cm(L w)的结果剑胸骨,Ip是耻骨联合到niIc为宫颈中心至阴道口的长度,Rc为宫颈中心至阴道口的距离。 3(a)和图。3(b).这些参数可以根据女性的解剖结构来确定。根据[16],平均身高为160.91 cm的年轻成年女孩的Xp然而,全球成年女性的平均身高为159厘米[17]。因此,我们将Xp的值近似设置为32 cm。根据BioDigital公司提供的女性解剖学数据,[18],距离Ip可以估计为1.5 cm。平均阴道Ic为6.27 cm [19],因此整数取为6 cm。根据近端阴道最大宽度为3.25 cm [19](可视为子宫颈半径),估计子宫颈中心至入口Rc的距离为1.5 cm。最后,可以得到IAWL的工作部分长度Lw和非工作部分长度Ln为cm(Li),建立了IAWL装置的实验样机。当所设计的设备用于临床时,它们也是重要的数据参考,可以根据根据医生经验或通过医学成像程序,如X射线和CT。2.4. 最大化功能手术野作为替代方案,当提升腹壁时,该IAWL的功能应尽可能接近气腹。 从气腹暴露是圆顶形,这可以看作是一个半圆形(图。 4(a))。从理论上讲,要获得与气腹所提供的相似的手术野,需要无限多的提升条但是,这是不切实际和不必要的。考虑到升降条的尺寸和强度,我们最终决定使用三条我我26 cm和7.5 cm。对于最大外径D,阴道口处的最小阴道宽度2.62 cm [19虽然一些研究表明vNOTES的范例在一系列妇科手术中具有成功的应用和巨大的前景,但许多女性由于担心疼痛、怀孕和性行为而拒绝这种新技术[20 - 22]。通过最小化手术器械的尺寸来减少术中不适和术后疼痛可能是对抗女性对手术器械的偏见的有效方法。(图中的绿色线条。4(b))。这种选择可以确保足够的曝光,同时降低器件结构和使用的复杂性。如图图4(b)中,深灰色标记区域(标记为S)是来自IAWL的三个提升带的功能手术野。相反,两个三角形的浅灰色区域是非功能性手术野,因为在这些区域无法有效执行手术[24]。在此,我们假设,腹壁上的任何一点,在气腹下,因此,我们认为,J. Wang,Y. Zhou,X. Xiao等仿生智能与机器人3(2023)10009052=· ··2=4⎩==-∈ =· ··≈=-==··· =见图4。在通过脐的横向平面上的人类腹腔的示意图。(a)显示了由气腹提供的圆顶形手术野。实线包围的区域表示来自该IAWL设备的暴露,在(b)中用绿线示出三个条带。最大化计算功能手术野,深灰色区域,最佳α值,相邻两条提升带夹角正常P表示在通过脐部的横向平面中相邻的提升带的长度。x表示提升的最高点之间的距离两边都有条纹W表示人腹腔在通过脐的横向平面中的内径为了获得S的最大值,p的最佳值应该设置为w/2,其中w是在通过脐的横向平面从50名患者中测得的平均值为20.6 cm [25]。 根据图 4(b)我们有S=xh1+1xh2,x∈(0,w)(2)其中:2.5.1. 板条上的锚固销数量为了便于讨论,我们假设缆索保持器可以用无穷大的力锁定缆索。换句话说,电缆F的拉力之间的关系为: (i)0 1N)和锚固销I的数量将在条带R的半径保持不变时进行讨论。因此,在此对应于条带的角度β是恒定的。同时,作用在近端驱动单元上的支撑条的弹力Fe为也不断模具的假设,即条是下h1=p2−(x)(3)2同样的工作条件。如图 5、在 中 间 部 位 进行受 力 分 析 ,h2=p−h1(4)条带、电缆和近端驱动装置的截面点D这个IAWL的单位很容易确定,p中文(简体)2其中,p表示在通过脐部的横向平面中的相邻提升带的长度,并且x表示在两侧上的提升带的最高点之间的距离,如图2所示。 4(b).结合(2)拉力Fi的差异在于σi随着锚固销的不同数量而变化,σ i是近端驱动单元附近的第一线缆与穿过点D的水平线 根据图1所示的几何关系, 5和内接角定理,我们有i=0,i= 0S=x(w+w2−x2),x∈(0,w)(6)σi=β/4,i=1β/3,I=2(九)因此,可以获得S的最大值,当dSd2S推广(9),我们可以得到我D x|x=xmax=0,d x2|x=xmax <0(7)用w 20求解(7)。6厘米,我们有x x max17。8厘米。 根据图中的几何形状。 4(b),两个相邻的提升带的夹角α可以通过以下方式确定:σi=2(i+1)β( 10)其中σi[0,π/2)和i0 1而n是条上的销的数量。根据D点处的受力分析,缆索拉力Fi可表示为:Xα=arctan(八)F=fi =Fe(十一)2小时1结合(3),(5),(8)和x的值,我们得到icosσiCos(我β)2(i+1)α的重要设计尺寸60度。因此,S的面积在137.81cm ~2处达到最大值,(六)、与气腹时的暴露面积比较,Spπ w2/8 166。56 cm 2,该装置提供的功能性手术野为ηS/Sp82.74%。 如果考虑到Sp时气腹造成的非功能性手术面积,η的比例将有所增加在那里我0 1,n.特别是当我0,σ00和F0Fe可由式(10)和(11)计算,并可证明图10所示无锚定销的带材的情况是正确的。 5(a).为了便于分析缆索拉力Fi、角度β和锚固销数量i之间的关系,我们可以将(11)改写为Fi=ηiFe,其中12.5. 保持手术野稳定在NOTES范例中的手术期间,外科医生不ηi=cos(i β)2(i+1)(十二)不仅需要足够的腹腔内暴露,而且还需要这种暴露的稳定性。这意味着该IAWL器械应提供足够的手术野,同时保持野稳定性。因此,我们的目标是通过优化条带上的锚固销的数量和支撑条带的尺寸来尽可能快地因此,我们可以讨论ηi而不是Fi,因为弹性力Fe是常数。图图6直观地显示了系数ηi、角度β和锚固销数量i之间的关系。在同等条件下,锚栓数量越多,拉索拉力越大这可以从以下几点得出结论:J. Wang,Y. Zhou,X. Xiao等仿生智能与机器人3(2023)1000906===-=××图五. 具有不同数量的锚固销i(i0,1,2)将导致不同的线缆拉力Fi在同样的工作条件下。左侧灰色部分和右侧灰色部分分别表示IAWL的外部远端和外部近端。 绿色实线代表IAWL的支撑条,其形状保持不变。(a)显示了两种情况:没有引脚的条带,其电缆以虚线显示红线和单针带,电缆以红色实线显示(b)表示带两个引脚的条带,电缆也用红色实线表示见图6。系数ηi随角度β和锚固销数量i的变化而变化。这里,数字i在0-14的范围内,尽管事实上i理论上接近无穷大,角度β有四种情况(0.5π、0.7π、0.9π和π)。见图7。具有一个固定铰支和一个活动铰支的大型受压柱的力学模型。在轴向力P作用下,可动端的位移为e,带材的挠度为ν。绿色实线和浅绿色实线分别表示在力P作用下IAWL的提升条带和处于其初始状态的条带。被提升的条带可以通过函数y来描述,(x).这里,(x0,y0)表示坐标值的最高点,其中x0u,y0v,y0(x0)。角度θ0是条 带 端 点 的旋转角度。图中所示的线条。第六章因此,在设计IAWL时,应尽可能减少锚固销的数量。另一方面,如果i太小,则线缆将减小功能手术野。权衡这两个因素,我们最终确定每个条带上有两个锚固销。此外,在i恒定的情况下,角度β越小,对于vNOTES的暴露,β必须减小以也减小IAWL的工作压力。2.5.2. 条带尺寸当IAWL处于工作配置时,外部条带是提升腹壁的主要部分。 因此,条的尺寸设计是相当重要的。考虑到IAWL尺寸的限制和曝光的稳定性,条带的横截面为矩形,其尺寸通过实验验证确定。外条主要部分的尺寸为1毫米6毫米,两端各1毫米4 mm,长10 mm,便于安装在外近端和外远端的凹槽处,如图2(b.2)和图2(b.2)所示。2(d.3)。内条用于携带相机,以提供手术视图(图 2(c.1))。因此,内条的尺寸可以设计得更小,最终被设定为0.8 mm× 4 mm。3. 运动学分析作为用于无气体vNOTES的腹壁内提升器械,所申报的IAWL器械用于通过阴道和后穹窿入口提升腹壁这意味着在手术期间,使用IAWL装置获得手术空间的外科医生不能精确地确定手术空间的大小,而只能基于直接视觉观察或内窥镜观察来近似它。这可能导致手术空间的大小因外科医生而异,并且不利于vNOTES的标准化。除此之外,自主手术正逐渐从实验室研究走向临床应用[26]。因此,为了使所提出的这种壁提升装置自动化,我们需要确定偏转ν和位移e之间的关系(图12)。 7)可以用电机精确控制。为了分析IAWL的运动学,支撑条可以被认为是具有固定铰接支撑和活动铰接支撑的大的压缩柱,如图所示。第七章与大挠度相比,锚栓处的索力引起的挠度因此,IAWL的运动学集中于可移动铰接支撑的位移e与力P下的挠度ν之间的关系。根据材料力学的知识,压柱弯矩M(x)和挠度曲线的微分方程可描述为[27,28]。M(x)=P(x)(13)(x)电缆拉力Fi越小。然而,小的β将导致小的暴露。因此,在保证足够的前提M(x)=EIΦ= −EI[1+(X′(x))2]3/2(十J. Wang,Y. Zhou,X. Xiao等仿生智能与机器人3(2023)1000907=-阿克斯∫[+=+∫∑!∫sin2(θ0/2)−sin2(θ/2)dθ(27)dθ= 122cosθ−cosθ2(ρ2−1)]=2µdµ其中E和I分别是条带的弹性模量和惯性矩。x2(θ0,当x0,如图所示 图 7)和(x)′′表示一阶导数和二阶导数,分别是x(x)对x的导数。然后我们有′′哪里x0的0=0DX=l/201cosθ dsθ0cosθdθEI1+(′)2+P=0(15)=2001∫n-cosθ−cosθ0θ0√(二十五)其中,x是x(x)的简写。 曲率Φ可以是例如,按Φ=−dθ/ds,其中θ相同的点连成的线=200∫cosθ−cosθ0dθ曲线上任意点的切线,X轴的正方向,s是弧长,其导致cosθ0+200万θ0dθ0cosθ−cosθ0到EIdθP<0(16)Ds(25)中的前一项和后一项表示为:L1和L2分别。对于L2,它以与(19)相同的方式求解:1− 2ρ2用s对它求导,代入dθ/ds=sinθ且λ2=P/EI,我们得到L2=K(ρ)(26)ζd2θds2+12sinθ=0(17)对于L1,我们有1∫θ0√ζ0重力单摆运动的数学模型。在通过能量方法推导(17)的过程中,可以通过将用于代入sinµ=sin(θ/2)/sin(θ0/2)和ρ=sin(θ0/2)导联角速度:L1= 2ρ2π/2ζcos2µµ2 2ds1001−ρsinµζ22其中θ0是开始处的切线与0π/21−ρsinµ曲线的正方向和X轴的正方向。给定(18),条的长度l和角度θ可以写为l12+1001−sin其中后一项是第二类完全椭圆积分。因此,(28)的解为l =0ds=102−θ0 n-cosθ−cosθ0(十九)2(ρ2−1)21θ0dθL1=K(ρ)+E(ρ)(29)=0sin2(θ0/2)−sin2(θ/2)哪里代入sinµ=sin(θ/2)/sin(θ0/2)和ρ=sin(θ0/2),(19)π∞(2n)!2ρ2 n可以重写为2π/2dµ22E(ρ)=2(22n(n)2)n=01−2n(30)01−ρsinµE(ρ)其中积分部分是第一个的完全椭圆积分,善良[29]。因此,解可以表示为幂级数:∞e=2l(1−K(ρ))(31)根据(23)和(31),我们可以得出结论,位移e和挠度ν是角度θ0和l=2K(ρ)=π∑((2n)!n=0)2ρ2n支撑条的长度l,并且它们与形状无关横截面和条带的尺寸绘制了一个图,根据挠度ν,我们有显示了e和ν的θ0(图8(a)),以便于运动学分析. 角度θ0是位移与y0d0l/2sinθ ds10sinθ dθ(二十二)e和偏转ν。为了便于可视化,虽然这两个变量的显式表达式不可用,但图8(b)显示了MATLAB的ν与e的关系图。这样我们就可以很容易地得到e和ν之间的对应关系。= −1002=ρθ0n-cosθ−cosθ04. 实验验证结合(21)和(22),我们得到ρν=lK(ρ)微分方程(17)表示理想化的数学-∫L1=(十π/2dµ=(二l=0(二因此,组合(21)和(29)、(24)可以表示为:ζζ2 2 n(n!)2个D=3/20J. Wang,Y. Zhou,X. Xiao等仿生智能与机器人3(2023)1000908(二十三)4.1. 运动学验证图9(a)显示了测量e和v以验证位移之间的关系类似地,e和角度θ之间的关系可以表示为:e=l−2x0(24)e和在第3节中推导出的挠度ν。条带的末端由两个设计的具有L形夹具的夹具约束,所述夹具固定在两个电动线性平台上。线性载物台安装成对齐。被动标记物附着在J. Wang,Y. Zhou,X. Xiao等仿生智能与机器人3(2023)1000909=××× × ××21表1不同长度、宽度、厚度和材料的各种条带材料长度(mm)宽度(mm)厚度(mm)65Mn15040.865Mn2004165Mn25061Ni-Ti15041Ni-Ti25041Ni-Ti20040.8Ni-Ti20041Ni-Ti20061见图8。当IAWL(1)时,位移e和挠度随角度θ0的变化曲线250 mm)处于工作配置中。(一)蓝线表示(23)中所示的函数,绿线表示挠度ν和θ0之间的关系。(b)四种 不 同 长 度 的 板 条 的挠度ν和位移e之 间 的 关 系 。条 带 的 中 点 , 其 可 以 使 用 Op-tiTrack 相 机 ( V120 : TRIO ,NaturalPoint,Inc.)捕获。在实验期间,两个线性台相对于彼此移动相同的距离,以确保条带上的标记不在线性台的方向上移动(固定点S;图9(b))。有实验验证目的。以150 mm × 4 mm × 0.8 mm和150 mm × 4 mm的65 Mn带材为例,0.8 mm(长度 宽度厚度)用于指示,挠度ν与条带的厚度无关图图10(a.1)-(a.4)显示了实验结果。由于ν的曲线与条的长度有关,我们根据它们的长度对条进行分组。此外,该组中有六个条带,条带长度为200 mm,我们将其平均分为两组以供展示(图1)。10(a.2)和10(a.3))。虚线表示具有不同长度的e和ν的理想模型,即,150 mm(图) 10(a.1),图200 mm10(a.2) 和(a.3),图250 mm。10(a.4)。长度为150 mm的条带的距离e以5 mm的间隔从0 mm增加到30 mm(图1)。 10(a.1)),200毫米长的条带,从0毫米到50毫米,间隔5毫米(图 10(a.2)和10(a.3)),和250毫米长的条带,从0毫米到70毫米,间隔10毫米(图10)。10(a.4))。用特定符号表示的每个点数据由图中的条带的(33)计算。10(a.1)-(a.4)。明确显示实验数据和理想数据之间的误差,每个距离e间隔的最大偏转误差被记录并在图中示出。 10(b.1)-(b.4),其对应于图10(a.1)-(a.4)。根据图1可以很容易地得出一些结论。第九章推导出的e和ν的运动学模型(图8(b))是正确的,它只与条带的长度有关,而与带的宽度、厚度和材料。除此之外,值得注意的是,实验数据和理想数据。作为一条带的长度,距离e越大,误差越大(图10(b.1)-(b.3))。然而,在我们的实验中,误差的最大值为1.2 mm,这是一个积极的结果。4.2. IAWL原型验证制作了IAWL实验样机(图1)。(11)els=e=ei−ei+1(三十二)验证了本文提出的设计IAWL。 条22由65Mn制成。 图11(a)显示了国际女律师协会的总体情况,其中Els是实验中每个线性平台的移动距离Ekv对应于Eke(图9(b))。OptiTrack摄像机坐标系中的标记坐标v=((xi−xi+1)2+(yi−yi+1)2+(zi−zi+1))2(33)直 观 地 说 , 挠 度 ν 不 仅 与 条 带 的 长 度 有 关 ( 图 11 ) 。 8(b)),而且还取决于条带的材料、宽度和厚度。因此,在实验中考虑了具有不同长度、宽度、厚度和材料的各种条带(如表1所示),以验证推导出的ν和e之间的关系。在材料方面,从设计角度考虑,65 Mn和以形成实验对照组的方式确定表1中所示的条带的尺寸,从而实现其中绞盘用于拉动钢缆并被锁定在棘轮旁边申报的IAWL在vNOTES期间经历两次配置变更,在手术开始前从初始配置变更为手术配置,在手术结束后从手术配置变更为初始配置。 IAWL在通过阴道插入腹腔后处于初始构型(图1)。 11(b))。然后,该结构在牵引杆的帮助下展开(图1)。 11(c)),这是拉出来后,IAWL的形状是通过张紧钢丝绳(图。11(d))。在实践中,外科医生可以根据第3节中讨论的运动学和手术需要确定牵引杆移动的距离(e),这直接影响手术空间的大小(v通过内部近端的拉杆通道将手术器械(由条带表示)插入手术空间,打开LED灯(图11(e))。内条J. Wang,Y. Zhou,X. Xiao等仿生智能与机器人3(2023)10009010我我=见图9。 实验验证了挠度ν与位移E。(a)测量ν和e的实验装置。(b)实验示意图。可以旋转以便于查看(图)。11(f))。最后,IAWL用牵引杆关闭(图1)。 11(g))在vNOTES之后。值得注意的是,设计的IAWL原型的尺寸基于第2.2节(D= 2cm,Ln= 7.5 cm,Lw= 26 cm),在临床实践中具有患者特异性。5. 讨论对于腹壁提升装置,与气腹相比,足够有效的腹腔内暴露是一个关键点。在本文中,我们确定了夹角α(图1)。图4(b))通过最大化所提出的装置的支撑空间,在人体当角度α60°时,所设计的IAWL可获得约82.74%的气腹功能性手术野。实际上,还应考虑器械在人体矢状面内获得的功能性手术野,尽管它在很大程度上取决于牵引杆移动的距离e(图11)。7)。如果认为钢缆下方区域是有效的手术操作空间,则在确定了固定销的数量和位置以及距离e之后,固定销的长度是影响手术空间大小的唯一因素。长度越长钉的直径越大,手术空间越小,但张力越小将需要在钢缆中。今后的工作必须更加重视权衡。 如图在图11中,两个锚固销之间的条带变形,这对于在vNOTES中使用该设备是不利的。其根本原因可能与支撑杆的材料和厚度、销的位置和长度等因素有关。未来,这些因素将在提升腹壁所需的力量此外,为了避免损伤周围组织,将需要一些保护措施来使装置进入临床使用,例如使条带的拐角变圆,并用足够薄且柔性的聚氨酯覆盖条带,或者聚酯弹性体。支撑条的宽度也可以适当加宽(如第3节所述,运动学模型与条的宽度无关),以减少接触组织上的压力。在手术过程中,摄像机可能会粘在粘液上,尽管这种情况相对罕见,因为摄像机位于手术位置上方,远离手术位置。如果发生这种情况,可以使用冲洗工具通过拉杆通道轻松清洁摄像机,被模糊的视野所吸引从实际的观点来看,当该装置临床上用于vNOTES时,所提出的装置的牵引杆的距离e(即,所需的支撑条的偏转V)是患者特异性的,并且在不同的手术中是不同的,这需要由外科医生确定这似乎意味着第3节中的运动学分析没有意义或价值。相反,e和ν之间的这种明确的数值关系可以为外科医生在判断距离e时提供重要的参考。该运动学还促进了用于vNOTES的 IAWL设备此外,运动学推导本身也为解决类似的大挠度压杆问题提供了新的思路。尽管理想模型与实验数据之间存在误差(图9(d.1)误差的存在可以归因于实验条长度的加工误差和无源标记物测量的误差(图11)。9(b),除其他外。这些误差可以通过未来的精细实验来消除。然而,1.2 mm的最大误差足以证明实验的验证值。建议装置的拉杆通道直径是10毫米,这不是一个充足的空间。然而,该尺寸适用于具有小外径的某些机器人系统[30,31],特别是因为该装置的内部条带安装有摄像头。因此,机器人系统不需要额外的相机,这有助于减小其最大外径。 通过牵引杆J. Wang,Y. Zhou,X. Xiao等仿生智能与机器人3(2023)10009011见图10。试验结果(a.1)- (a.4)示出了对于具有不同长度(150 mm、200 mm和250 mm)、宽度(4 mm和6 mm)、厚度(0.8 mm和1 mm)和材料(65 Mn和Ni-Ti)的条带与理想模型的比较实验结果。(b.1)–(b.4), corresponding to (a.1)–(a.4), denote the error inJ. Wang,Y. Zhou,X. Xiao等仿生智能与机器人3(2023)10009012见图11。 建议IAWL的实验原型。(a)显示了原型的整体视图。(b)- (g)显示用于vNOTES的设计流程。的(c)-(g)中的插图示出了内条上的照相机视图。通过(e)和(f)中的内近端的拉杆通道插入的手术器械,这里用一个长条来演示(f)显示IAWL通道只能来回平移,这是由于通道的结构由周围环境(阴道口、耻骨联合和子宫颈,如图所示)决定的。3)。此外,通道的约束类似于单端口机器人手术系统的直的刚性外套管,例如Da Vinci单端口机器人手术系统(Intuitive Surgical,Inc.)。因此,申报器械可与小外径和柔性手术工具配合使用[32]。6. 结论和今后的工作在 本 文 中 , 我 们 提 出 了 一 种 新 的 腹 内 升 壁 装 置 无 气 体vNOTES。申报的IAWL有两种工作配置,即用于插入腹腔或从腹腔拉出的初始配置IAWL有两层条带,包括外部条带以提升腹壁和内部条带,该内部条带可以与安装的摄像机一起旋转以提供手术视图。文中详细介绍了该系统的设计原理和参数确定,为后续样机研制和临床应用奠定了基础为了便于接近,手术区域的大小和牵引杆行进的距离之间的关系推导并精确验证了挠度ν与距离e该关系对于外科医生确定牵引杆在临床上应行进的所需距离是有用的虽然建议的IAWL de-负压小于气腹时的负压,可提供气腹时82.74%的手术视野,满足无气腹手术的需要。此外,该装置还可避免CO2吹入所带来的一些不可避免的也可用于肥胖患者、老年心血管疾病患者和不适合气腹的患者。值得注意的是,该器械为临床一次性使用器械。因此,所设计器械的条带的塑性变形问题不在考虑范围内。如果该装置是可重复使用的,我们在未来的工作中根据塑性变形实验严格限制该装置可以使用的次数。此外,还将进行实验,以确定申报器械条带的横截面尺寸与其在变形发生前可承受的力之间的关系。然后,我们将进行台式实验和腹部体模实验与所提出的设备的制造原型,以验证该概念的有效性和可行性此外,动物实验将在不久的将来提上议程竞合利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作致谢本研究获香港研究资助局通识研究基金(14220622及14204321)及中大直接资助(134997202)资助,中国附录A. 补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.birob.2023.100090上找到。引用[1]J. Baekelandt,P.A.德穆德岛勒罗伊角马蒂厄, A. Laenen,P. Enzlin,S.Weyers,B.W. Mol,J.J. Boseals,在非脱垂子宫和良性妇科疾病的女性中,通过自然孔口经腔内镜手术(NOTES)与腹腔镜手术进行子宫切除术后的术后结局和生活质量:一项系统性综述和荟萃分析,Eur. J. 顽固妇科学Reprod.Biol. 208(2017)6[2]D.E. Bowman,ASGE/SAGES自然腔道经腔工作组内窥镜手术:白皮书2005年10月,胃肠。内窥镜63(2)(2006)199-203。[3]M.C. Tolcher,E. Kalogera,M.R. Hopkins,A.L. Weaver,J. Bingener,S.C.Dowdy,作为手术方法的后穹窿切开术的安全性:对自然腔道内镜手术的影响,JSLS:J. Soc. Laparoendosc。16(3)(2012)413.[4]C、-- B.李,K.- Q. Hua,经阴道自然腔道经腔内镜手术(vNOTES)在妇科手术中的应用:系统综述,亚洲杂志。外科43(1)(2020)44-51。[5]R. Karkia,T.作者:J. Ghaffar,A. Gupta,E. Kovoor,经阴道自然腔道经腔内镜手术(vNOTES)的子宫切除术和腺样体切除术:一项包含33例患者的病例系列的英国观点,Eur。J. 顽固妇科学Reprod. Biol. 242(2019)29[6]J. - X.唐湖,澳-地王维Q.年,W.- Y.唐,J. - Y.肖,X。- X.唐,H.- L. 刘 ,经口前庭甲状腺切除术中无症
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