基于三維超聲圖像的穿刺手術(shù)機器人輔助系統(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、恢復快等特點越來越受到醫(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。由于超聲具有實時性、無輻射、經(jīng)濟方便等特點，臨床中多以超聲圖像來引導穿刺手術(shù)。但是，臨床手動穿刺手術(shù)存在穿刺角度受限、準確性和穩(wěn)定性不高、過于依賴醫(yī)生經(jīng)驗等不足。因此，圖像引導的機器人輔助穿刺手術(shù)技術(shù)成為近年來國際前沿的研究熱點之一。論文在黑龍江省自然科學基金重點項目的支持下，

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

3、參數(shù)逐步完成穿刺手術(shù)，克服了臨床手動穿刺中的人手抖動問題，提高了穿刺手術(shù)的準確性和穩(wěn)定性，減輕了醫(yī)生的勞動強度。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)生更準確地進行手術(shù)規(guī)劃，克服了二維超聲的局限性，降低了對醫(yī)生經(jīng)驗的依賴程度及人為因素對手術(shù)的影響程度。電磁定位系統(tǒng)取代臨床中的穿刺引導架，不僅能解決穿刺引導架造成的穿刺角度受限問題，還實現(xiàn)了手術(shù)器械的空間定位和實時監(jiān)控。
　　Freehand超聲圖像三維重建的

4、關(guān)鍵技術(shù)包括探頭標定、三維晶格中的體素灰度計算以及三維晶格的可視化。通過分析基于―N‖形模型探頭標定方法存在的問題，提出了基于改進―N‖形模型和非迭代最小二乘解的探頭標定方法。改進后的―N‖形標定模型可使非線性標定方程線性化，簡化了標定方程求解的復雜度，避免了標定方程求解存在的局部收斂和迭代初值選擇不當問題。在分析PNN算法性能的基礎上，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間，避免了插值運算引起的誤差。

5、在分析三維圖像可視化算法特點的基礎上，基于VTK中封裝的Ray-Casting體繪制算法實現(xiàn)了三維晶格的可視化。實驗驗證了freehand三維超聲系統(tǒng)的有效性。
　　基于臨床手動穿刺手術(shù)流程、手術(shù)安全性和醫(yī)生操作習慣，對穿刺機器人的運動步驟和運動功能進行了規(guī)劃，并通過相應的控制方法實現(xiàn)了機器人穿刺手術(shù)所需要的運動功能。穿刺機器人運動按先后順序分為手臂平移、手腕調(diào)姿、進針及退針四個步驟?？紤]到臨床手動穿刺的操作習慣和安全性，提出了外

6、力驅(qū)動的機器人拖動控制方法。該方法通過機器人末端的力傳感器將拖動力轉(zhuǎn)換為機器人手臂電機的脈沖信號，使醫(yī)生可通過拖動機器人手臂的方式來移動穿刺針。實驗結(jié)果表明機器人外力拖動控制具有較好的柔順性。在分析穿刺針姿態(tài)調(diào)整方法的基礎上，提出了基于笛卡爾反向運動的針尖位移補償算法。該算法用機器人手臂的笛卡爾反向運動來實時補償機器人手腕運動導致的針尖點位移，使針尖在穿刺針姿態(tài)調(diào)整過程中保持不動。實驗結(jié)果表明針尖位移精度在1mm以內(nèi)，驗證了針尖位移補償

7、算法的有效性。根據(jù)臨床手動穿刺的經(jīng)驗知識，提出了基于力/位反饋的機器人進針速度模糊控制方法。該方法以進針深度和進針力作為模糊控制器輸入，以進針速度作為模糊控制器輸出。實驗結(jié)果表明機器人進針控制策略能有效提高機器人進針安全性及減小軟組織形變對機器人穿刺手術(shù)的影響。
　　以電磁發(fā)射器為基準坐標系建立了穿刺手術(shù)機器人輔助系統(tǒng)的空間映射關(guān)系，從而將三維圖像中的進針路徑映射到機器人空間并計算出機器人運動參數(shù)，然后通過穿刺針標定技術(shù)實現(xiàn)了穿刺