機器人輔助經皮穿刺手術控制方法研究.pdf

1、機器人具有空間定位準確，穩(wěn)定性高，運動靈巧，可長時間連續(xù)工作等特點。因此把機器人技術引入到經皮穿刺介入治療中可大大提高介入手術的安全性和治療效果，具有非常大的臨床應用價值。機器人輔助穿刺手術系統(tǒng)借助空間定位技術，能對二維醫(yī)學圖像進行三維重建，從而使病灶部位的成像更加明晰，病灶靶點的識別更加準確，進而提高穿刺精度。
　　本文首先分析傳統(tǒng)的手動穿刺進針過程，利用實驗室機器人輔助穿刺手術系統(tǒng)規(guī)劃了機器人輔助穿刺手術流程，分為拖拽機器人到

2、患者皮膚表面、確定進針點、穿刺針姿態(tài)調整、控制進針和術中監(jiān)控五個過程。研究基于機械阻抗的機器人拖拽控制方法，并進行阻抗拖拽實驗。利用規(guī)劃的進針路徑和平移穿刺機器人確定皮膚上進針點的方法。將進針路徑的空間姿態(tài)轉化為穿刺機器人手臂末端2-DOF姿態(tài)調整關節(jié)的運動參數。
　　分析了影響進針速度的三個因素，即針體受力變化、進針離靶點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方程。然后利用模糊控制方法設計模糊控制器，將以上影響進

3、針速度的三個因素作為控制器的輸入，將進針速度作為控制器的輸出，并利用MATLAB模糊工具箱進行仿真實驗。
　　利用磁定位器對穿刺針針尖的空間位置進行實時跟蹤，該方法是在針體末端安裝磁接收器，標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)射器的實時位姿轉換矩陣計算出針尖在磁發(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時位姿和病灶圖像實現進針可視化監(jiān)控。利用跟蹤的針尖的位置信息和規(guī)劃的

4、穿刺路徑衡量進針過程中的實時偏差，以監(jiān)控手術的安全性和有效性。
　　最后在可視化進針監(jiān)控軟件平臺上編寫穿刺機器人控制程序，模擬穿刺路徑和靶點進行穿刺機器人定位誤差和進針監(jiān)控誤差實驗。以石蠟為模擬靶點，在動物肝臟中進行系統(tǒng)穿刺實驗，以獲取系統(tǒng)的穿刺精度。實驗結果表明機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。分析得出機器人的系統(tǒng)誤差主要由三個方面組成：一是病灶圖像三維重建誤差；二是穿刺機器人定位誤差；三是器官