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机器人辅助经皮穿刺手术控制方法研究

马文忠  
【摘要】:机器人具有空间定位准确,稳定性高,运动灵巧,可长时间连续工作等特点。因此把机器人技术引入到经皮穿刺介入治疗中可大大提高介入手术的安全性和治疗效果,具有非常大的临床应用价值。机器人辅助穿刺手术系统借助空间定位技术,能对二维医学图像进行三维重建,从而使病灶部位的成像更加明晰,病灶靶点的识别更加准确,进而提高穿刺精度。 本文首先分析传统的手动穿刺进针过程,利用实验室机器人辅助穿刺手术系统规划了机器人辅助穿刺手术流程,分为拖拽机器人到患者皮肤表面、确定进针点、穿刺针姿态调整、控制进针和术中监控五个过程。研究基于机械阻抗的机器人拖拽控制方法,并进行阻抗拖拽实验。利用规划的进针路径和平移穿刺机器人确定皮肤上进针点的方法。将进针路径的空间姿态转化为穿刺机器人手臂末端2-DOF姿态调整关节的运动参数。 分析了影响进针速度的三个因素,即针体受力变化、进针离靶点距离和针尖的弯曲变形程度,建立了针尖弯曲程度的定量估计方程。然后利用模糊控制方法设计模糊控制器,将以上影响进针速度的三个因素作为控制器的输入,将进针速度作为控制器的输出,并利用MATLAB模糊工具箱进行仿真实验。 利用磁定位器对穿刺针针尖的空间位置进行实时跟踪,该方法是在针体末端安装磁接收器,标定获得针尖相对于磁接收器的空间位置偏移量,利用该偏移量和磁接收器相对于磁发射器的实时位姿转换矩阵计算出针尖在磁发射器中的空间位置。在基于VTK平台的图像显示软件中显示针尖的实时位姿和病灶图像实现进针可视化监控。利用跟踪的针尖的位置信息和规划的穿刺路径衡量进针过程中的实时偏差,以监控手术的安全性和有效性。 最后在可视化进针监控软件平台上编写穿刺机器人控制程序,模拟穿刺路径和靶点进行穿刺机器人定位误差和进针监控误差实验。以石蜡为模拟靶点,在动物肝脏中进行系统穿刺实验,以获取系统的穿刺精度。实验结果表明机器人穿刺精度满足临床使用要求,具有较高的稳定性和灵活性,易于操作。分析得出机器人的系统误差主要由三个方面组成:一是病灶图像三维重建误差;二是穿刺机器人定位误差;三是器官漂移和软组织变形造成病灶靶点偏移误差。并对各项误差的来源和数值进行研究。


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