前列腺放射性粒子植入機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近距離放射性粒子植入治療術(shù)具有靶向性強(qiáng)、創(chuàng)傷小、療效快、副作用少等特點(diǎn)，已成為治療早期前列腺癌的必然趨勢(shì)。采用機(jī)器人系統(tǒng)輔助醫(yī)生實(shí)施手術(shù)治療，可以提高粒子植入的精度，提高患者的治療效果，減輕外科醫(yī)生勞動(dòng)強(qiáng)度、減少感染和輻射。研制和開(kāi)發(fā)具有自主產(chǎn)權(quán)、低成本和高性能的前列腺粒子植入機(jī)器人系統(tǒng)不但具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值，同時(shí)有利于該技術(shù)在國(guó)內(nèi)臨床上的應(yīng)用和推廣。但是將機(jī)器人系統(tǒng)成功用于前列腺癌的放射性粒子植入手術(shù)中，需要解決機(jī)器人構(gòu)型和尺寸優(yōu)化、

2、機(jī)器人控制精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、高精度和高效率穿刺等問(wèn)題。本文為了解決以上問(wèn)題對(duì)前列腺放射性粒子植入機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。
　　針對(duì)臨床粒子植入設(shè)計(jì)需求、狹窄空間操作、人體截石位手術(shù)特點(diǎn)，對(duì)超聲圖像導(dǎo)航前列腺粒子植入機(jī)器人構(gòu)型進(jìn)行了綜合分析?？紤]材料、系統(tǒng)能耗、機(jī)器人的可操作性能，采用序列二次規(guī)劃算法對(duì)定位機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化?？紤]到放射性粒子對(duì)手術(shù)環(huán)境的核輻射、穿刺針強(qiáng)度和剛度對(duì)定位精度的影響，對(duì)粒子植入器進(jìn)行了安全性設(shè)計(jì)和靜力

3、學(xué)仿真分析。采用上-下位機(jī)方式設(shè)計(jì)了機(jī)器人控制系統(tǒng)，研究了開(kāi)放式控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的軟件體系。
　　為了提高粒子植入機(jī)器人定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，研究了機(jī)器人關(guān)節(jié)的加減速規(guī)劃算法和改進(jìn)的閉環(huán)控制算法。為了避免機(jī)器人操作事故和減小手術(shù)時(shí)間、能耗，提出了一種基于安全操作平面的粒子植入規(guī)劃方法。結(jié)合安全操作平面策略、Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最短路徑搜索、以及6步循環(huán)粒子植入運(yùn)行程序這三個(gè)過(guò)程，設(shè)計(jì)了安全可靠、人機(jī)協(xié)助的智能化

4、前列腺粒子植入機(jī)器人控制系統(tǒng)上位機(jī)控制軟件。
　　針對(duì)機(jī)器人操控植入器介入前列腺時(shí)，組織會(huì)產(chǎn)生漂移、變形以及針尖會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)等問(wèn)題。采用正交實(shí)驗(yàn)分析了穿刺針直徑，針尖角度，進(jìn)針?biāo)俣?，以及插入深度?duì)穿刺針偏轉(zhuǎn)的作用規(guī)律，采用極差分析方法給出了最優(yōu)的進(jìn)針組合。為了改善機(jī)器人操控穿刺針的定位精度，設(shè)計(jì)和研制一種壓電式振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)穿刺裝置。通過(guò)對(duì)振動(dòng)穿刺和旋轉(zhuǎn)穿刺效果評(píng)估實(shí)驗(yàn)，提出了一種基于振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)混合的高精度進(jìn)針策略，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的進(jìn)針策

5、略控制軟件。
　　針對(duì)針介入軟組織時(shí)的抵觸力、機(jī)器人位形變化產(chǎn)生的重力矩波動(dòng)以及關(guān)節(jié)減速器的摩擦力矩，都會(huì)影響機(jī)器人低速運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性和控制精度。采用拉格朗日方法建立機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程，針對(duì)重力矩項(xiàng)，研究可變重力矩完全補(bǔ)償機(jī)制，建立可變重力矩完全補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)和研制了十字交叉彈簧式可變重力矩補(bǔ)償裝置。通過(guò)重力矩補(bǔ)償分配仿真和實(shí)驗(yàn)證明了該補(bǔ)償機(jī)制的有效性。為了實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)情況下對(duì)期望位置、速度的精確跟蹤，提出了基于重力矩和摩擦力矩模