呼吸运动下机器人精准穿刺控制技术研究

作     者：郑凌翔 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨荣骞

授予年度：2021年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：穿刺机器人 呼吸运动 手眼标定 位姿估计 精准穿刺 

摘      要：穿刺机器人已广泛应用于神经外科、骨科等临床领域,但其应用于呼吸运动下的靶区穿刺手术仍面临较大挑战。胸腹部靶区受呼吸运动影响,其位置实时变化,若直接根据术前影像数据按规划路径穿刺,不仅穿刺精度低,而且针具与周围组织间的牵拉会导致针具弯曲形变以及组织损伤。所以如何克服呼吸运动的影响,提高靶区定位精度,是机器人有效应用于胸腹部穿刺的研究重点。目前穿刺机器人主要应用于刚性靶区穿刺,其将术前医学影像空间下与术中实际空间下的反光标记点数据进行匹配,完成一次性的精准穿刺。但胸腹部靶区受呼吸运动影响而容易发生位置偏移,术中与术前的影像信息无法准确匹配,导致机器人无法精准定位呼吸运动下的非刚性靶区。由于呼吸运动具有周期非对称性等复杂特性,机器人若不能实时分析呼吸运动信号、计算最佳穿刺时隙并据此调整自身运动姿态,将导致手术工具与患者组织发生牵拉,造成二次伤害。本文针对上述问题,完成相应研究内容:(1)设计了呼吸运动下的穿刺机器人系统。为了实现呼吸运动下的靶区精准穿刺,本文构建了一种呼吸运动下的穿刺机器人系统。结合近红外光学定位系统、六自由度机械臂、呼吸运动仿真实验装置以及机器人软件控制中心,完成呼吸运动下的穿刺机器人软硬件系统构建。呼吸运动仿真实验装置实时输出呼吸运动信号,为相关算法和技术提供有效的验证平台。(2)提出了多闭环回路穿刺机器人手眼标定算法。手眼标定过程中,机械臂以特定运动策略沿其基座和末端坐标系运动,并通过光学定位系统采集手术工具上的标记点位置信息。该算法输入标记点位置数据并输出穿刺机器人系统中不同坐标系间的相对位置关系。其利用坐标系闭环转换原理计算封闭解,无需迭代计算,大大减少计算不收敛的风险,缩短目标参数计算时间,避免复杂的数学推导和计算。实验结果表明,多闭环回路算法凭借少量输入数据便可准确标定,静态靶区定位精度小于1 mm,可有效应用于穿刺机器人手眼标定。(3)提出了三维空间几何约束靶区定位算法以及SR-UKF无标定靶区定位算法。三维空间几何约束靶区定位算法构建了一种精确、安全、鲁棒的靶区定位数学模型,可计算机器人目标位姿,增加穿刺过程的安全系数。该算法首先计算目标坐标系,然后通过坐标系闭环转换获取机器人的目标位姿。手术工具的位姿根据空间几何约束关系经过旋转与平移后与预设穿刺路径重合。为了提高穿刺机器人在临床中的适用性,本文研究了SR-UKF无标定靶区定位算法。术前系统无需进行手眼标定,而利用平方根无迹卡尔曼滤波算法在线估计机器人目标控制位姿,实现穿刺路径的角度和位置定位。本文开展了一系列体模实验验证上述两种靶区定位算法的可行性。(4)提出了呼吸运动下机器人运动跟随与靶区穿刺策略。机器人控制中心实时获取呼吸运动信号并计算最佳穿刺时隙。机器人根据最佳穿刺时隙进行靶区穿刺或呼吸跟随运动。当处于最佳穿刺时隙时,机器人进行靶区进针;当处于非穿刺时隙时,机器人停止靶区进针转而跟随呼吸运动。该方法在呼吸运动仿真体模穿刺实验中靶区定位误差小于3 mm,满足临床胸腹部靶区穿刺的要求。