磁共振圖像向?qū)У墓腔顧z手術(shù)機器人關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、骨活檢手術(shù)作為發(fā)展成熟的微創(chuàng)手術(shù)，在臨床診斷中發(fā)揮著重要的作用，尤其為很多可疑疾病提供一種全新的確診方法和研究途徑。傳統(tǒng)骨活檢手術(shù)主要依賴臨床醫(yī)生的經(jīng)驗判斷手術(shù)切口位置和深度，不僅易導(dǎo)致手術(shù)失敗增加病人二次手術(shù)的痛苦，而且易導(dǎo)致人體某些關(guān)鍵部位醫(yī)療事故的發(fā)生。圖像向?qū)У氖中g(shù)機器人技術(shù)結(jié)合醫(yī)學(xué)圖像、電子信息、機械工程、自動化、控制工程、圖像處理等學(xué)科的優(yōu)勢，具有定位準確、控制精度高和可視化程度高等優(yōu)點，可以輔助解決現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的一些難題，成

2、為目前國內(nèi)外研究的熱點之一。基于骨活檢手術(shù)的醫(yī)學(xué)診斷價值和磁共振成像的突出優(yōu)勢，本文提出將磁共振圖像向?qū)中g(shù)機器人引入骨活檢手術(shù)，并對磁共振圖像向?qū)Ч腔顧z手術(shù)機器人的一些關(guān)鍵技術(shù)問題進行了較為深入的研究。論文主要完成以下研究內(nèi)容。
　　研究了磁共振圖像向?qū)中g(shù)機器人兼容性的兩個組成部分，即磁共振兼容性和結(jié)構(gòu)兼容性。從磁共振基本原理、磁共振成像原理方面介紹了磁共振物理基礎(chǔ)，分析了材料順磁性與抗磁性對磁共振成像的影響，結(jié)合信噪比、空間

3、分辨力和對比度討論了評價磁共振圖像質(zhì)量的方法。分析封閉式磁共振環(huán)境下機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，通過優(yōu)化傳統(tǒng)手術(shù)操作解決了手術(shù)機器人結(jié)構(gòu)兼容性技術(shù)問題。建立磁共振環(huán)境的等效模型，分析了金屬材料在靜磁場中的磁感線分布和磁場強度分布。通過仿真渦流場在不同相位時影響磁共振圖像質(zhì)量的機理，為研究 MRI環(huán)境下手術(shù)機器人結(jié)構(gòu)和手術(shù)工具的運動對磁共振圖像的影響提供分析方法。
　　提出一種穩(wěn)定性高和手術(shù)時間短的自動骨活檢樣本提取方法。根據(jù)手術(shù)針介入軟組

4、織過程力的組成因素建立了Neo-Hookean超彈性材料模型，研究了手術(shù)工具直徑、手術(shù)工具形狀、介入速度和約束方式對軟組織介入過程的影響。骨骼鉆削測試結(jié)果表明，自動骨骼鉆削在平均力與最大力的偏差、平均操作時間等方面較手動鉆削方式有顯著改善。通過研究旋轉(zhuǎn)速度、手術(shù)工具直徑對骨骼鉆削過程力的影響，為本文擬開發(fā)的骨活檢手術(shù)機器人確定最大旋轉(zhuǎn)速度、安全控制力提供了理論依據(jù)，解決了骨活檢手術(shù)機器人操作過程控制參數(shù)選擇問題。
　　提出磁共振圖

5、像向?qū)Ч腔顧z手術(shù)機器人手術(shù)過程安全控制方法。建立了生物組織的3D實體模型，研究了模型優(yōu)化、網(wǎng)格優(yōu)化和有限元分析內(nèi)容。在通用LightSpeed64排螺旋掃描儀上獲取新鮮豬腿骨的CT圖像，保存為DICOM標準格式；借助Mimics工具實現(xiàn)豬大腿骨3D實體重建模；采用逆向工程軟件Geomagic Studio、基于優(yōu)化算法的光順法和智能Laplacian光順法優(yōu)化豬體大腿骨3D實體模型和網(wǎng)格；基于灰度值方法實現(xiàn)3D實體模型材料賦值；建立手術(shù)

6、工具模型，在Abaqus中完成骨骼介入過程的有限元分析。本文從減輕病人痛苦和防止骨骼斷裂等方面綜合考慮，確定了研究對象在骨骼介入階段的進給速度。基于生物組織實體模型的有限元分析方法，解決了手術(shù)過程安全性控制技術(shù)問題。
　　提出基于 Flexiforce傳感器的力反饋控制系統(tǒng)設(shè)計方法。通過設(shè)計簡易和通用的Flexiforce傳感器固定裝置，完成在常規(guī)環(huán)境、磁共振環(huán)境下傳感裝置的標定和磁共振兼容性測試。測試結(jié)果表明，F(xiàn)lexiforc

7、e傳感裝置不僅具有良好的磁共振兼容性，而且在磁共振掃描儀工作時采取減震措施有效地改善振動引起的擾動，消除機械振動對力數(shù)據(jù)采集過程的影響。設(shè)計了以超聲波電機、Flexiforce傳感器、尼龍、鋁合金、銅合金等非鐵磁性材料組成的力反饋系統(tǒng)測試平臺。以新鮮動物軟組織為測試對象，完成Flexiforce傳感器力反饋系統(tǒng)和對照力反饋系統(tǒng)動態(tài)力測試性能對比研究。測試結(jié)果表明，在設(shè)定的介入深度范圍內(nèi)，兩者的介入力曲線擬合度高達約95％，即基于Flex

8、iforce傳感器的力反饋系統(tǒng)可以用于運動狀態(tài)測試。該設(shè)計方法為開發(fā)骨活檢手術(shù)機器人解決了構(gòu)建磁共振兼容的力反饋系統(tǒng)的技術(shù)難題。
　　提出提高超聲波電機磁共振兼容性的設(shè)計方案。采用歸一化信噪比計算方法對比分析安裝距離對磁共振兼容性的影響，確定了超聲波電機的安全距離。磁共振兼容性測試結(jié)果表明，超聲波電機USR30比USR60引起較少的磁共振干擾，增加超聲波電機數(shù)量會降低圖像質(zhì)量，超聲波電機平行安裝方式比垂直安裝方式獲取更好的磁共振圖