基于三維超聲圖像的穿刺手術(shù)機(jī)器人輔助系統(tǒng)研究.pdf

1、經(jīng)皮穿刺手術(shù)因創(chuàng)傷小、疼痛輕、手術(shù)并發(fā)癥少、恢復(fù)快等特點(diǎn)越來(lái)越受到醫(yī)生和病人的歡迎，尤其在活檢、介入治療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并成為非手術(shù)切除治療腫瘤的有效方法。由于超聲具有實(shí)時(shí)性、無(wú)輻射、經(jīng)濟(jì)方便等特點(diǎn)，臨床中多以超聲圖像來(lái)引導(dǎo)穿刺手術(shù)。但是，臨床手動(dòng)穿刺手術(shù)存在穿刺角度受限、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性不高、過(guò)于依賴醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)等不足。因此，圖像引導(dǎo)的機(jī)器人輔助穿刺手術(shù)技術(shù)成為近年來(lái)國(guó)際前沿的研究熱點(diǎn)之一。論文在黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，

2、對(duì)freehand三維超聲引導(dǎo)的穿刺手術(shù)機(jī)器人輔助系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，主要包括系統(tǒng)構(gòu)建、freehand超聲圖像三維重建、穿刺機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及控制方法、穿刺機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算以及手術(shù)監(jiān)控等內(nèi)容。
　　面向臨床超聲引導(dǎo)的經(jīng)皮穿刺手術(shù)，構(gòu)建了freehand三維超聲引導(dǎo)的穿刺手術(shù)機(jī)器人輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由6-DOF穿刺機(jī)器人、freehand三維超聲和電磁定位三個(gè)子系統(tǒng)組成。其中，穿刺機(jī)器人可根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)步驟和計(jì)算的運(yùn)動(dòng)

3、參數(shù)逐步完成穿刺手術(shù)，克服了臨床手動(dòng)穿刺中的人手抖動(dòng)問(wèn)題，提高了穿刺手術(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，減輕了醫(yī)生的勞動(dòng)強(qiáng)度。Freehand三維超聲系統(tǒng)用于建立病灶的三維幾何模型，幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，克服了二維超聲的局限性，降低了對(duì)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)的依賴程度及人為因素對(duì)手術(shù)的影響程度。電磁定位系統(tǒng)取代臨床中的穿刺引導(dǎo)架，不僅能解決穿刺引導(dǎo)架造成的穿刺角度受限問(wèn)題，還實(shí)現(xiàn)了手術(shù)器械的空間定位和實(shí)時(shí)監(jiān)控。
　　Freehand超聲圖像三維重建的

4、關(guān)鍵技術(shù)包括探頭標(biāo)定、三維晶格中的體素灰度計(jì)算以及三維晶格的可視化。通過(guò)分析基于―N‖形模型探頭標(biāo)定方法存在的問(wèn)題，提出了基于改進(jìn)―N‖形模型和非迭代最小二乘解的探頭標(biāo)定方法。改進(jìn)后的―N‖形標(biāo)定模型可使非線性標(biāo)定方程線性化，簡(jiǎn)化了標(biāo)定方程求解的復(fù)雜度，避免了標(biāo)定方程求解存在的局部收斂和迭代初值選擇不當(dāng)問(wèn)題。在分析PNN算法性能的基礎(chǔ)上，提出了PNN-Maximum體素灰度算法。該算法節(jié)省了空缺體素的搜索時(shí)間，避免了插值運(yùn)算引起的誤差。

5、在分析三維圖像可視化算法特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于VTK中封裝的Ray-Casting體繪制算法實(shí)現(xiàn)了三維晶格的可視化。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了freehand三維超聲系統(tǒng)的有效性。
　　基于臨床手動(dòng)穿刺手術(shù)流程、手術(shù)安全性和醫(yī)生操作習(xí)慣，對(duì)穿刺機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步驟和運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行了規(guī)劃，并通過(guò)相應(yīng)的控制方法實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人穿刺手術(shù)所需要的運(yùn)動(dòng)功能。穿刺機(jī)器人運(yùn)動(dòng)按先后順序分為手臂平移、手腕調(diào)姿、進(jìn)針及退針?biāo)膫€(gè)步驟。考慮到臨床手動(dòng)穿刺的操作習(xí)慣和安全性，提出了外

6、力驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人拖動(dòng)控制方法。該方法通過(guò)機(jī)器人末端的力傳感器將拖動(dòng)力轉(zhuǎn)換為機(jī)器人手臂電機(jī)的脈沖信號(hào)，使醫(yī)生可通過(guò)拖動(dòng)機(jī)器人手臂的方式來(lái)移動(dòng)穿刺針。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人外力拖動(dòng)控制具有較好的柔順性。在分析穿刺針姿態(tài)調(diào)整方法的基礎(chǔ)上，提出了基于笛卡爾反向運(yùn)動(dòng)的針尖位移補(bǔ)償算法。該算法用機(jī)器人手臂的笛卡爾反向運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)時(shí)補(bǔ)償機(jī)器人手腕運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的針尖點(diǎn)位移，使針尖在穿刺針姿態(tài)調(diào)整過(guò)程中保持不動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明針尖位移精度在1mm以內(nèi)，驗(yàn)證了針尖位移補(bǔ)償

7、算法的有效性。根據(jù)臨床手動(dòng)穿刺的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，提出了基于力/位反饋的機(jī)器人進(jìn)針?biāo)俣饶：刂品椒āＴ摲椒ㄒ赃M(jìn)針深度和進(jìn)針力作為模糊控制器輸入，以進(jìn)針?biāo)俣茸鳛槟：刂破鬏敵?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人進(jìn)針控制策略能有效提高機(jī)器人進(jìn)針安全性及減小軟組織形變對(duì)機(jī)器人穿刺手術(shù)的影響。
　　以電磁發(fā)射器為基準(zhǔn)坐標(biāo)系建立了穿刺手術(shù)機(jī)器人輔助系統(tǒng)的空間映射關(guān)系，從而將三維圖像中的進(jìn)針路徑映射到機(jī)器人空間并計(jì)算出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)，然后通過(guò)穿刺針標(biāo)定技術(shù)實(shí)現(xiàn)了穿刺