本书以临床需求为目标，主要介绍导管/导丝协同操作血管介入手术机器人系统设计方法和基于经验学习的血管介入手术机器人人机协作策略，包括: 血管介入手术机器人概述、主从式血管介入手术机器人系统构成、双滑块式血管介入手术机器人从端操作器、高临场感血管介入手术机器人主端操作器、血管介入手术机器人安全策略、血管介入手术机器人系统性能评价、血管介入手术机器人人机协作策略。本书主要读者为从事手术机器人研究的专业技术人员和医疗、机器人等相关专业的研究生，可以作为医疗机器人技术的前沿参考书, 帮助医疗机器人和生物医学工程领域的研究人员、学生和技术人员掌握基本原理与基本知识, 了解业界前沿技术, 还可供临床医学领域的医生了解相关工程实践进展情况。

（1）本书作者在血管介入手术机器人领域深耕多年，是国际上该领域有重要影响力的学者之一。（2）书中内容是作者及其团队开展血管介入手术机器人研究的代表性成果之一。（3）本书设计的血管介入手术机器人系统，充分考虑医生工作环境、操作习惯，在手术操作精度、医生操作临场感、手术操作安全性等方面，具有较高的优势。（4）本书结合深度学习,创新性地提出一种基于医生经验学习的血管介入手术机器人人机协作策略。（5）书中图表、数据翔实，在理论介绍的基础上，更注重实际临床实验的效果，对我国未来血管介入手术机器人系统的设计与实施具有重要参考意义。

手术机器人是前沿科技的典型代表，并处于机器人和医疗健康两大学科方向交汇点。而对于手术机器人进行系统介绍的书并不多，且涉及血管介入手术机器人的书更是寥寥。血管介入手术机器人是一个复杂的技术集成系统，完全了解和掌握相关技术细节并不容易。因此，市场上需要一本技术著作，让学术研究者、从业者甚至普通大众对血管介入手术机器人有一个全面的认识，加深对手术机器人行业的理解。
我国心脑血管疾病患者数量已超3亿。心脑血管疾病发病率高、致残率高、病死率高，给个人、家庭和社会带来巨大的精神压力和沉重的经济负担。血管介入手术机器人旨在结合机器人技术与传统血管介入技术，利用机器人的快速性、高稳定性、高定位精度、高计算能力和丰富的传感信息，实现医生能力的拓展和延伸，解决传统血管介入手术存在的问题和局限性。
本书面向心脑血管疾病的临床需求，以减少医生辐射伤害、降低医生慢性疾病风险、提高手术操作精度、增强医生操作临场感、增加手术操作安全性为目标，设计符合医生操作习惯的血管介入手术机器人系统，充分利用医生现有操作经验，完成对医生临床手术操作辅助任务。现有血管介入手术机器人依然处于非智能水平，因而高度依赖医生的经验技巧，成为限制其进一步发展的瓶颈。本书首次结合深度学习，并提出一种基于医生经验学习的血管介入手术机器人人机协作策略。
本书中涉及技术的研究工作得到国家高新技术研究发展计划（863计划）先进技术制造领域重点项目高端心脑血管实时介入辅助机器人系统的支持。本书作者团队开展血管介入手术机器人研究二十多年，结合实施动物实验、临床试验的经验，体系化地介绍了血管介入手术机器人在辅助医生手术过程中的主要难题以及解决方法，形成以导管/导丝协同操作技术基于医生经验技巧的高临场感技术分层式手术操作安全策略基于医生经验学习的人机协作手术为基础的血管介入手术机器人系统架构。本书可为我国未来血管介入手术机器人系统的设计与实施提供重要参考，具有重要的学术价值和应用价值。
本书的出版离不开各位同行学者和课题组各位老师的支持，在这里表示由衷的感谢与敬意！
限于作者水平，书中难免有疏漏之处，恳请各位读者批评指正！

作者
2022年7月

郭书祥，博士、日本工程院外籍院士、IEEE Fellow, 国家海外高层次人才引进计划教授， 长江学者奖励计划 教授，工业和信息化部融合医工系统与健康工程重点实验室主任，担任IEEE ICMA国际会议的创始大会主席以及IJMA国际期刊主编等学术职务。长期从事微机器人技术、血管介入机器人系统等方面的研究工作。在世界上率先开发出直径 1mm的两种脑血管检查微系统，研制的具有3自由度的仿生鱼形微机器人属世界首创，曾在世界权威杂志 New Scientist 上介绍报道。主持省部级以上课题10余项，包括科技部863课题和日本国文部科学省重点科研项目。发表被SCI收录学术论文170多篇，主编大型学术专著10部。拥有40余项机器人和微系统方面的发明专利。获国际学术奖14项、省部级二等奖2项。

第1章概述1
1.1医疗机器人的发展机遇1
1.2医疗机器人的历史变革2
1.2.1手术机器人2
1.2.2血管介入手术5
1.2.3血管介入手术机器人8
1.3血管介入手术机器人研究现状10
1.3.1国外血管介入手术机器人研究现状10
1.3.2国内血管介入手术机器人研究现状21
1.4自主/半自主手术机器人研究现状28
1.5现有研究存在的问题及启示35
1.6本书内容37

第2章主从式血管介入手术机器人系统构成39
2.1引言392.2血管介入手术概述39
2.2.1总体介绍39
2.2.2导管室及手术器械40
2.2.3临床手术步骤41
2.3血管介入手术机器人功能需求分析42
2.4血管介入手术机器人系统构成44
2.5本章小结48

第3章双滑块式血管介入手术机器人从端操作器49
3.1引言49
3.2双滑块式协同操作概念设计50
3.2.1静态爬行步态50
3.2.2导管/导丝形变消除51
3.2.3模块化无菌装配53
3.3双滑块式协同操作结构设计54
3.3.1整体方案设计54
3.3.2夹持机构设计56
3.3.3模块化无菌操作设计56
3.3.4力学测量机构设计58
3.3.5整体样机59
3.4双滑块式从端操作器性能测评60
3.4.1整体样机60
3.4.2力学测量性能测评实验61
3.4.3装拆效率测评实验64
3.4.4手术操作效率测评实验65
3.5本章小结67

第4章高临场感血管介入手术机器人主端操作器68
4.1引言68
4.2主端操作器及混合式力反馈技术概述69
4.3基于位置环-传感器闭环控制的主动式力反馈70
4.4基于磁粉的被动式力反馈74
4.4.1磁粉扭矩传递机制分析74
4.4.2被动式力反馈设计79
4.5主端操作器结构设计82
4.5.1直线力反馈机构结构设计82
4.5.2旋转扭矩反馈机构结构设计84
4.6主端操作器性能验证85
4.6.1力反馈性能验证85
4.6.2运动信号采集性能验证87
4.7本章小结89

第5章血管介入手术机器人安全策略90
5.1引言90
5.2临床手术分层操作概念91
5.3基于分层操作的安全策略92
5.3.1安全策略总体设计92
5.3.2运动保护机构94
5.3.3分层力反馈98
5.3.4运动缩减控制100
5.4安全策略实验标定与参数设计101
5.4.1运动保护机构实验标定101
5.4.2分层力反馈及运动缩减控制参数设计106
5.5力学测量补偿110
5.5.1力学测量补偿分析110
5.5.2实验标定112
5.5.3性能验证1155.6
本章小结117

第6章血管介入手术机器人系统性能评价118
6.1引言1186.2主从跟随性能测评119
6.2.1实验设置119
6.2.2实验结果119
6.2.3实验结果分析120
6.3协同操作性能测评121
6.3.1实验设置122
6.3.2实验结果122
6.3.3实验结果分析126
6.4分层式安全策略性能测评129
6.4.1实验设置129
6.4.2实验结果130
6.4.3实验结果分析130
6.5本章小结133

第7章血管介入手术机器人人机协作策略134
7.1引言135
7.2基于人机信任度的主从动态映射模型136
7.2.1人机信任度模型136
7.2.2机器人表现模型136
7.2.3主从动态映射模型137
7.3基于导管操作力状态识别的主从动态映射模型138
7.3.1导管操作力状态识别模型139
7.3.2训练样本数据集构建及网络训练140
7.3.3主从动态映射模型141
7.4基于主从动态映射的人机共享控制算法142
7.5基于人机共享控制的人机协作策略143
7.6基于人机信任度主从动态映射模型仿真分析144
7.7基于主从动态映射模型的人机协作策略特性评价146
7.7.1CCD相机影像下实验平台搭建146
7.7.2CCD相机影像下人机协作手术评价实验结果147
7.7.3手术室DSA影像下实验平台搭建150
7.7.4手术室DSA影像下人机协作手术评价实验结果152
7.8本章小结156

参考文献157