本書以臨床需求為目標，主要介紹導管/導絲協(xié)同操作血管介入手術(shù)機器人系統(tǒng)設(shè)計方法和基于經(jīng)驗學習的血管介入手術(shù)機器人人機協(xié)作策略，包括: 血管介入手術(shù)機器人概述、主從式血管介入手術(shù)機器人系統(tǒng)構(gòu)成、雙滑塊式血管介入手術(shù)機器人從端操作器、高臨場感血管介入手術(shù)機器人主端操作器、血管介入手術(shù)機器人安全策略、血管介入手術(shù)機器人系統(tǒng)性能評價、血管介入手術(shù)機器人人機協(xié)作策略。本書主要讀者為從事手術(shù)機器人研究的專業(yè)技術(shù)人員和醫(yī)療、機器人等相關(guān)專業(yè)的研究生，可以作為醫(yī)療機器人技術(shù)的前沿參考書, 幫助醫(yī)療機器人和生物醫(yī)學工程領(lǐng)域的研究人員、學生和技術(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)學領(lǐng)域的醫(yī)生了解相關(guān)工程實踐進展情況。
（1）本書作者在血管介入手術(shù)機器人領(lǐng)域深耕多年，是國際上該領(lǐng)域有重要影響力的學者之一。（2）書中內(nèi)容是作者及其團隊開展血管介入手術(shù)機器人研究的代表性成果之一。（3）本書設(shè)計的血管介入手術(shù)機器人系統(tǒng)，充分考慮醫(yī)生工作環(huán)境、操作習慣，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)合深度學習,創(chuàng)新性地提出一種基于醫(yī)生經(jīng)驗學習的血管介入手術(shù)機器人人機協(xié)作策略。（5）書中圖表、數(shù)據(jù)翔實，在理論介紹的基礎(chǔ)上，更注重實際臨床實驗的效果，對我國未來血管介入手術(shù)機器人系統(tǒng)的設(shè)計與實施具有重要參考意義。
手術(shù)機器人是前沿科技的典型代表，并處于機器人和醫(yī)療健康兩大學科方向交匯點。而對于手術(shù)機器人進行系統(tǒng)介紹的書并不多，且涉及血管介入手術(shù)機器人的書更是寥寥。血管介入手術(shù)機器人是一個復(fù)雜的技術(shù)集成系統(tǒng)，完全了解和掌握相關(guān)技術(shù)細節(jié)并不容易。因此，市場上需要一本技術(shù)著作，讓學術(shù)研究者、從業(yè)者甚至普通大眾對血管介入手術(shù)機器人有一個全面的認識，加深對手術(shù)機器人行業(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)濟負擔。血管介入手術(shù)機器人旨在結(jié)合機器人技術(shù)與傳統(tǒng)血管介入技術(shù)，利用機器人的快速性、高穩(wěn)定性、高定位精度、高計算能力和豐富的傳感信息，實現(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)生慢性疾病風險、提高手術(shù)操作精度、增強醫(yī)生操作臨場感、增加手術(shù)操作安全性為目標，設(shè)計符合醫(yī)生操作習慣的血管介入手術(shù)機器人系統(tǒng)，充分利用醫(yī)生現(xiàn)有操作經(jīng)驗，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)機器人依然處于非智能水平，因而高度依賴醫(yī)生的經(jīng)驗技巧，成為限制其進一步發(fā)展的瓶頸。本書首次結(jié)合深度學習，并提出一種基于醫(yī)生經(jīng)驗學習的血管介入手術(shù)機器人人機協(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)展計劃（863計劃）先進技術(shù)制造領(lǐng)域重點項目高端心腦血管實時介入輔助機器人系統(tǒng)的支持。本書作者團隊開展血管介入手術(shù)機器人研究二十多年，結(jié)合實施動物實驗、臨床試驗的經(jīng)驗，體系化地介紹了血管介入手術(shù)機器人在輔助醫(yī)生手術(shù)過程中的主要難題以及解決方法，形成以導管/導絲協(xié)同操作技術(shù)基于醫(yī)生經(jīng)驗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)驗學習的人機協(xié)作手術(shù)為基礎(chǔ)的血管介入手術(shù)機器人系統(tǒng)架構(gòu)。本書可為我國未來血管介入手術(shù)機器人系統(tǒng)的設(shè)計與實施提供重要參考，具有重要的學術(shù)價值和應(yīng)用價值。
本書的出版離不開各位同行學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計劃教授， 長江學者獎勵計劃 教授，工業(yè)和信息化部融合醫(yī)工系統(tǒng)與健康工程重點實驗室主任，擔任IEEE ICMA國際會議的創(chuàng)始大會主席以及IJMA國際期刊主編等學術(shù)職務(wù)。長期從事微機器人技術(shù)、血管介入機器人系統(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，包括科技部863課題和日本國文部科學省重點科研項目。發(fā)表被SCI收錄學術(shù)論文170多篇，主編大型學術(shù)專著10部。擁有40余項機器人和微系統(tǒng)方面的發(fā)明專利。獲國際學術(shù)獎14項、省部級二等獎2項。
第1章概述1
1.1醫(yī)療機器人的發(fā)展機遇1
1.2醫(yī)療機器人的歷史變革2
1.2.1手術(shù)機器人2
1.2.2血管介入手術(shù)5
1.2.3血管介入手術(shù)機器人8
1.3血管介入手術(shù)機器人研究現(xiàn)狀10
1.3.1國外血管介入手術(shù)機器人研究現(xiàn)狀10
1.3.2國內(nèi)血管介入手術(shù)機器人研究現(xiàn)狀21
1.4自主/半自主手術(shù)機器人研究現(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)機器人功能需求分析42
2.4血管介入手術(shù)機器人系統(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50
3.2.1靜態(tài)爬行步態(tài)50
3.2.2導管/導絲形變消除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54
3.3.1整體方案設(shè)計54
3.3.2夾持機構(gòu)設(shè)計56
3.3.3模塊化無菌操作設(shè)計56
3.3.4力學測量機構(gòu)設(shè)計58
3.3.5整體樣機59
3.4雙滑塊式從端操作器性能測評60
3.4.1整體樣機60
3.4.2力學測量性能測評實驗61
3.4.3裝拆效率測評實驗64
3.4.4手術(shù)操作效率測評實驗65
3.5本章小結(jié)67
第4章高臨場感血管介入手術(shù)機器人主端操作器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磁粉扭矩傳遞機制分析74
4.4.2被動式力反饋設(shè)計79
4.5主端操作器結(jié)構(gòu)設(shè)計82
4.5.1直線力反饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計82
4.5.2旋轉(zhuǎn)扭矩反饋機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計84
4.6主端操作器性能驗證85
4.6.1力反饋性能驗證85
4.6.2運動信號采集性能驗證87
4.7本章小結(jié)89
第5章血管介入手術(shù)機器人安全策略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92
5.3.2運動保護機構(gòu)94
5.3.3分層力反饋98
5.3.4運動縮減控制100
5.4安全策略實驗標定與參數(shù)設(shè)計101
5.4.1運動保護機構(gòu)實驗標定101
5.4.2分層力反饋及運動縮減控制參數(shù)設(shè)計106
5.5力學測量補償110
5.5.1力學測量補償分析110
5.5.2實驗標定112
5.5.3性能驗證1155.6
本章小結(jié)117
第6章血管介入手術(shù)機器人系統(tǒng)性能評價118
6.1引言1186.2主從跟隨性能測評119
6.2.1實驗設(shè)置119
6.2.2實驗結(jié)果119
6.2.3實驗結(jié)果分析120
6.3協(xié)同操作性能測評121
6.3.1實驗設(shè)置122
6.3.2實驗結(jié)果122
6.3.3實驗結(jié)果分析126
6.4分層式安全策略性能測評129
6.4.1實驗設(shè)置129
6.4.2實驗結(jié)果130
6.4.3實驗結(jié)果分析130
6.5本章小結(jié)133
第7章血管介入手術(shù)機器人人機協(xié)作策略134
7.1引言135
7.2基于人機信任度的主從動態(tài)映射模型136
7.2.1人機信任度模型136
7.2.2機器人表現(xiàn)模型136
7.2.3主從動態(tài)映射模型137
7.3基于導管操作力狀態(tài)識別的主從動態(tài)映射模型138
7.3.1導管操作力狀態(tài)識別模型139
7.3.2訓練樣本數(shù)據(jù)集構(gòu)建及網(wǎng)絡(luò)訓練140
7.3.3主從動態(tài)映射模型141
7.4基于主從動態(tài)映射的人機共享控制算法142
7.5基于人機共享控制的人機協(xié)作策略143
7.6基于人機信任度主從動態(tài)映射模型仿真分析144
7.7基于主從動態(tài)映射模型的人機協(xié)作策略特性評價146
7.7.1CCD相機影像下實驗平臺搭建146
7.7.2CCD相機影像下人機協(xié)作手術(shù)評價實驗結(jié)果147
7.7.3手術(shù)室DSA影像下實驗平臺搭建150
7.7.4手術(shù)室DSA影像下人機協(xié)作手術(shù)評價實驗結(jié)果152
7.8本章小結(jié)156
參考文獻157
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