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机械臂辅助医学超声扫描系统研究

张娟  
【摘要】:目前,超声扫查是临床中最为普及的常规检查之一。然而,超声医师资源的短缺、长期高强度工作引发的职业损伤、对操作者技术的高度依赖、自由手超声扫查缺乏准确的空间信息都是现有临床超声检查中存在的问题,制约了超声成像辅助临床诊断的能力和应用前景,因此临床实践中亟待寻求一种较为自动化的超声扫查工作流来缓解这一局面。本研究创建了一套机械臂辅助的医学超声扫描系统,利用机械臂来代替引发医师疲劳工作的重复性扫描工作,以改善超声医师的职业病问题,规范超声扫描流程。本研究还尝试利用机械臂的高精度、位置可控、可追溯性应用于成像引导微创治疗或者基于二维超声成像的三维超声容积成像成为可能。本研究基于对临床超声操作流程的充分调研,探索适合自动化替代的任务,将临床需求转换为研究目标。本系统的具体实现可根据硬件平台分为立体视觉导航、机械臂运动规划与控制、跨平台超声图像采集三个主要模块。所构建的系统可利用立体视觉传感器进行导航,控制机械臂夹持超声探头对目标物体扫描,并实时获取扫查路径上的二维超声图像。针对临床超声扫查对机器人的需求,本文提出以下研究计划。首先,相较于以往研究中硬件的分散控制,本研究选用ROS作为系统核心以方便不同属性硬件间的协调通讯,以提升系统的响应性能、易开发维护和可扩展性。其次,在视觉导航上,本系统在获取深度信息并经RGB和深度相机内外参标定后,将深度图像与彩色图配准形成了三维空间彩色点云数据来充分描述扫描场景。针对这种多维散乱的点云数据,本文提出使用基于Kd-tree算法的空间搜索对高密度的彩色点云数据进行高效的去噪、表面法向量计算。为提高系统的自动化程度,本研究进一步实现了针对扫查区域的半自动路径提取算法,从而为机械臂的运动规划提供导航源数据。而后,系统选用了轻量级的六轴机械臂作为动作执行端。为保证运动控制的稳定性,我们提出了融合RGB和深度信息的混合标定方案。为保证机械臂扫描动作的实时性和平滑性,本研究采用了逆向运动学来设计机械臂的系列运动参数和轨迹,并结合扫描路径的运动信息来细化对探头的姿态控制。最后,本研究所构建的系统相比于传统的三维超声探头和基于定位器的三维重建方案体现了更好的容积超声成像能力。本研究设计了多个实验来评估系统的性能。KinectV2视觉相机以不同的距离对已知长度的物体进行测量,结果表明在有效视距内,相距越近,误差越小。本系统中KinectV2的实际工作范围设置在1.5米以内,测量的绝对误差在2mm以内,相对误差为0.5%,符合整个系统对视觉定位的要求。本文设计并测试了自制探针在测试板上的定位情况以评估整个系统的精度,对系统误差进行分析和补偿后,系统精度可达到4mm。本文同时评估了不同的扫描速度对超声成像效果的影响,以求找到适合机械臂实施超声扫描的速度范围。本研究利用多个仿体和志愿者对整体系统运作进行了验证,对系统的精度、实时性、稳定性和工作效率进行分析与讨论。实验结果表明,基于ROS系统作为控制枢纽,本系统可从视觉相机提取有效的视觉导航信息,进而引导UR5机械臂夹持超声探头较快速、较准确、较稳定地到达待扫查区域,实现自主的超声图像采集;利用机械臂自主扫查获得的二维超声图像进行大场景的三维重建实验,进一步验证了所构建的超声机器人系统的应用前景。鉴于该机械臂辅助医学超声扫描系统的完整性、稳定实时性和可延展性,后续高阶的智能化研发工作得以良好地开展。


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