طراحي و تحليل يك ابزار لاپاراسكوپي نوين براي اندازه‌گيري مشخصات بيومكانيكي ارگان‌هاي حجيم داخل شكمي در حالت زنده

Design and Analysis of a Novel Laparoscopic Instrument for Measuring the in Vivo Biomechanical Characteristics of Large Intra-abdominal Organs

در جراحي لاپاراسكوپي، امكان لمس مستقيم بافت هاي ناحيه جراحي براي جراح وجود ندارد و در نتيجه جراح نمي تواند با استفاده از حس لامسه، رفتار مكانيكي بافت را ارزيابي كند و وضعيت سلامت يا بيماري آنرا تميز دهد. علاوه بر اين مشخصات بيومكانيكي بافت‌هاي نرم داخل شكمي در حالت زنده از جمله داده‌هاي اصلي مورد نياز براي نرم‌افزارهاي شبيه‌ساز جراحي هستند. اين پژوهش به منظور طراحي و تحليل ابزار رباتيكي جديدي انجام شده است كه بتواند با گرفتن و فشردن بافت‌هاي نرم و حجيم درون شكمي داده‌هاي نيرو- جابه جايي آنها را استخراج كند. ابزار طراحي شده همانند دستي رباتيك با دو انگشت است كه با استفاده از يك مكانيزم متوازي الاضلاعي باز و بسته مي شود. به منظور جلوگيري از حركت افقي انگشتان و عدم لغزش ابزار روي بافت در ناحيه تماس، از يك مكانيزم تركيبي با دو لغزنده مرتبط و يك بادامك جبران ساز استفاده شده است. نتايج تحليل سينماتيك نشان دهنده كارايي مكانيزم طراحي شده براي حركت خالص قايم انگشتان به صورت موازي با يكديگر است. همچنين نتايج تحليل ديناميك پس از بهينه سازي ابعاد مكانيزم حاكي از نيروي عملگر حداكثر 65 نيوتن براي اعمال نيروي فشاري 10 نيوتني به بافت است كه در زواياي مياني بسته شدن ابزار رخ مي دهد.

During laparoscopy surgery, the surgeon cannot touch the tissues directly by his/her hand. As a result, he is not able to use tactile sensing for evaluating the tissues’ mechanical behavior and diagnosing their normal/pathological conditions. Furthermore in vivo biomechanical characteristics of Intra-abdominal soft tissues are among the main data required for surgery simulator softwares. The purpose of this research was to design and analyze a robotic surgical instrument which could grasp and compress the intra-abdominal large soft tissues and provide their force-displacement characteristics. The designed device is analogous to a robotic hand with two fingers, which are opened and closed using a parallelogram mechanism. A combined mechanism, including two connected sliding links and a compensatory cam, are used to prevent the fingers horizontal motion and keep the contact area fixed. The results of the kinematics analysis indicate the efficacy of the designed mechanism to provide pure vertical motion in fingers, parallel to each other. Also, the results of dynamic analysis indicate that, after dimensional optimization, the maximum force required at the actuator is 65 N, to apply a 10 N compressive force to the tissue at the middle of grasping range.