機(jī)器人輔助經(jīng)皮穿刺手術(shù)控制方法研究.pdf

1、機(jī)器人具有空間定位準(zhǔn)確，穩(wěn)定性高，運(yùn)動靈巧，可長時(shí)間連續(xù)工作等特點(diǎn)。因此把機(jī)器人技術(shù)引入到經(jīng)皮穿刺介入治療中可大大提高介入手術(shù)的安全性和治療效果，具有非常大的臨床應(yīng)用價(jià)值。機(jī)器人輔助穿刺手術(shù)系統(tǒng)借助空間定位技術(shù)，能對二維醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維重建，從而使病灶部位的成像更加明晰，病灶靶點(diǎn)的識別更加準(zhǔn)確，進(jìn)而提高穿刺精度。
　　本文首先分析傳統(tǒng)的手動穿刺進(jìn)針過程，利用實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人輔助穿刺手術(shù)系統(tǒng)規(guī)劃了機(jī)器人輔助穿刺手術(shù)流程，分為拖拽機(jī)器人到

2、患者皮膚表面、確定進(jìn)針點(diǎn)、穿刺針姿態(tài)調(diào)整、控制進(jìn)針和術(shù)中監(jiān)控五個(gè)過程。研究基于機(jī)械阻抗的機(jī)器人拖拽控制方法，并進(jìn)行阻抗拖拽實(shí)驗(yàn)。利用規(guī)劃的進(jìn)針路徑和平移穿刺機(jī)器人確定皮膚上進(jìn)針點(diǎn)的方法。將進(jìn)針路徑的空間姿態(tài)轉(zhuǎn)化為穿刺機(jī)器人手臂末端2-DOF姿態(tài)調(diào)整關(guān)節(jié)的運(yùn)動參數(shù)。
　　分析了影響進(jìn)針?biāo)俣鹊娜齻€(gè)因素，即針體受力變化、進(jìn)針離靶點(diǎn)距離和針尖的彎曲變形程度，建立了針尖彎曲程度的定量估計(jì)方程。然后利用模糊控制方法設(shè)計(jì)模糊控制器，將以上影響進(jìn)

3、針?biāo)俣鹊娜齻€(gè)因素作為控制器的輸入，將進(jìn)針?biāo)俣茸鳛榭刂破鞯妮敵?，并利用MATLAB模糊工具箱進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。
　　利用磁定位器對穿刺針針尖的空間位置進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，該方法是在針體末端安裝磁接收器，標(biāo)定獲得針尖相對于磁接收器的空間位置偏移量，利用該偏移量和磁接收器相對于磁發(fā)射器的實(shí)時(shí)位姿轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算出針尖在磁發(fā)射器中的空間位置。在基于VTK平臺的圖像顯示軟件中顯示針尖的實(shí)時(shí)位姿和病灶圖像實(shí)現(xiàn)進(jìn)針可視化監(jiān)控。利用跟蹤的針尖的位置信息和規(guī)劃的

4、穿刺路徑衡量進(jìn)針過程中的實(shí)時(shí)偏差，以監(jiān)控手術(shù)的安全性和有效性。
　　最后在可視化進(jìn)針監(jiān)控軟件平臺上編寫穿刺機(jī)器人控制程序，模擬穿刺路徑和靶點(diǎn)進(jìn)行穿刺機(jī)器人定位誤差和進(jìn)針監(jiān)控誤差實(shí)驗(yàn)。以石蠟為模擬靶點(diǎn)，在動物肝臟中進(jìn)行系統(tǒng)穿刺實(shí)驗(yàn)，以獲取系統(tǒng)的穿刺精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人穿刺精度滿足臨床使用要求，具有較高的穩(wěn)定性和靈活性，易于操作。分析得出機(jī)器人的系統(tǒng)誤差主要由三個(gè)方面組成：一是病灶圖像三維重建誤差；二是穿刺機(jī)器人定位誤差；三是器官