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脊柱骨科机器人机械系统设计与试验研究

脊柱骨科机器人机械系统设计与试验研究

作者：赵成浩北方工业大学

学位级别：硕士

微创手术因创伤口小、术后愈合快、并发症少等特点,近二十年来给手术机器人技术发展指明了方向。本文针对脊柱骨科手术机器人设计开展研究,以往研究工作主要采用引导式和主动操作式,面向椎间消融、置钉手术、脊柱整形等手术操作,这类机... 详细信息

微创手术因创伤口小、术后愈合快、并发症少等特点,近二十年来给手术机器人技术发展指明了方向。本文针对脊柱骨科手术机器人设计开展研究,以往研究工作主要采用引导式和主动操作式,面向椎间消融、置钉手术、脊柱整形等手术操作,这类机器人通常自由度较少,截面尺寸较大,面向病灶较深、空间位置复杂、可行路径狭小曲折的情况,适应性较差。本文针对传统脊柱骨科机器人存在的局限性,设计了一种横截面直径不大于10mm的多自由度机械臂。从操作臂机构运动学建模分析、样机结构设计、专用多维力传感器设计、系统运动规划与控制等方面开展了一定研究,完成了机器人实验样机设计、开展了关键部件和主要支撑技术的试验研究。首先,针对采用的钢丝冗余驱动并联机构方案,以完成机器人本体设计为目标,分析了机械臂工作空间,关节空间和驱动空间三者之间的相互映射关系。利用D-H参数法、几何法、数值迭代进行了机械臂的正、逆运动学分析,通过运动学分析优选了机器人操作臂机构关键运动学参数。为样机本体设计和运动控制律设计,奠定了必要基础。其次,根据脊柱骨科机器人的具体技术指标要求,设计了一款单孔操作、双臂形式的机器人样机。机器人机械臂包括操作臂和照明摄像臂。其中操作臂采用模块化并联机构串联构型,末端安装鳄鱼嘴形式的操作器,具有5个自由度。为集成多种操作,操作臂采用同轴嵌套结构,内嵌机械臂为切割机械臂,具有主动伸缩1个自由度。照明摄像臂为连续体形式,具有2个自由度。所有主动关节均采用线驱动形式,每根驱动丝对应一个模块化的直线运动单元。机器人臂整体具有进给和旋转机构。因此整套脊柱骨科机器人机械臂共有5+1+2+2共10个运动学自由度。再次,为了提高精细机械臂的操作力感知能力,设计了一款专用二维力(力/力矩)传感器。受机械臂截面尺寸较小和末端操作器结构较复杂的限制,同时考虑传动系统摩擦因素,二维力传感器设计安装在操作臂的根部,既能够获得较为准确的感知力,又不影响末端操作。通过分析结构受力并采用有限元分析校核,设计完成了维间耦合较小的二维力传感器弹性体结构。利用惠斯通电桥的和差特性,对传感器进行组桥,设计了信号调理电路,对桥式电路输出的微弱信号进行放大,使其满足标准传感器输出(±5V)。最后通过标定实验,进给力线性误差为2.75%,旋转扭矩线性误差为0.52%,验证了传感器系统设计的可行性。最后,为了实现脊柱骨科机器人的运动控制,研究了机器人的运动规划和控制方法,开展了较多实验研究。基于三次多项式样条曲线法,开展了操作臂的运动规划问题研究,以提高机械臂的运动平稳性。基于PID控制方法,实现了电机运动的闭环控制,确保各关节位置控制的准确性。为了提高机械臂与环境的物理交互能力,还研究了机械臂的自适应阻抗控制方法。为了验证脊柱骨科机器人样机系统设计的可行性,以及运动学、运动规划方法与控制算法的正确性,通过搭建实验环境,开展了一系列实验研究。通过样机组装测试证明了传动机构的设计合理性;通过线驱动并联机构实验平台验证了运动学建模的正确性,通过传感器标定实验,验证了二维力感知传感器设计的有效性,最后通过整机实验,测试了脊柱骨科机器人样机及软硬件系统的功能正常性,并进一步验证了理论建模算法在脊柱骨科机器人系统中的有效性。本论文最后对开展的研究与实验工作进行了总结,给出了未来可进一步开展的研究工作等方面的建议。

关键词：脊柱骨科机器人运动学结构设计传感器设计运动控制系统

持续性姿势-知觉性头晕患者脑血流动力学与脑白质高信号的相关性研究

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持续性姿势-知觉性头晕患者脑血流动力学与脑白质高信号的相关性...

作者：吴成浩中国人民解放军海军军医大学

学位级别：硕士

【研究目的】持续性姿势-知觉性头晕(PPPD)是临床上常见的头晕类型之一,其发病机制目前尚不十分尚不明确,且缺乏客观的检查及确诊手段,误诊后易对患者造成持续的心身损害。本研究通过对PPPD患者的临床症状、神经心理学特征、外周血肾素... 详细信息

【研究目的】持续性姿势-知觉性头晕(PPPD)是临床上常见的头晕类型之一,其发病机制目前尚不十分尚不明确,且缺乏客观的检查及确诊手段,误诊后易对患者造成持续的心身损害。本研究通过对PPPD患者的临床症状、神经心理学特征、外周血肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)水平,并结合PPPD患者T2 FLAIR脑白质病变及经颅多普勒超声结果,探究脑血流动力学与脑白质高信号之间的相关性;并结合头颅磁共振动脉自旋标记(ASL)和弥散张量成像(DTI)技术,研究PPPD患者的脑灌注与脑白质微结构改变的关系,寻找PPPD的客观诊断依据,并进一步探索PPPD可能的发病机制,为提高临床确诊率提供依据。【研究方法】以2023年1月到2023年12月期间,就诊于长海医院神经内科的以头晕为主诉的患者为研究对象,共收集病例230人,其中诊断为PPPD患者77人、周围性眩晕患者73人、中枢性头晕患者80人。(1)收集不同类型头晕/眩晕患者的一般人口学资料、临床表现、神经心理学特征及外周血RAAS水平。(2)收集PPPD患者与周围性眩晕患者经颅多普勒超声血流动力学结果及头颅磁共振成像MRI T2FLAIR加权像,使用ITK-SNAP软件人工划分各组患者头颅磁共振成像MRI T2FLAIR加权像脑白质高信号体积,并对上述结果进行组间比较、相关性分析等统计分析。(2)随机抽取25名PPPD患者行多模磁共振成像,同时匹配15名健康对照,分析两组人员全脑及脑白质区域血流差异,使用基于纤维束示踪的空间统计方法(TBSS)评估脑白质微结构变化,以ASL有差异的脑区作为感兴趣点(ROI),与TBSS中有差异的ROI点进行相关性分析。【结果】(1)PPPD患者的平均年龄、女性占比与既往的研究均类似,发作形式以反复发作与持续性发作为主。三分之一的患者因体位变化会诱发或加重三分之一的患者头晕症状,视物旋转、恶心呕吐、耳鸣/耳闷、眼震等症状或体征分别占33.2%、14.3%、13.0%、13.0%。(2)PPPD组、周围性眩晕组、中枢性头晕组三组比较发现,PPPD组的汉米尔顿焦虑量表(HAMA)评分和汉米尔顿抑郁量表(HAMD)评分均高于周围性眩晕组及中枢性头晕组。PPPD组高血压人数较周围性眩晕和中枢性头晕少,但PPPD患者外周血的血管紧张素Ⅱ水平高于周围性眩晕组,具有统计学差异;略高于中枢性头晕组但差异无统计学意义。(3)PPPD组左大脑中动脉血流搏动指数(PI)高于周围性眩晕组,具有统计学差异。PPPD组全脑白质高信号体积、深部脑白质高信号体积均高于周围性眩晕组,且具有统计学差异。控制年龄及高血压因素后偏相关性分析显示,PPPD组侧脑室旁脑白质高信号体积仍与右大脑中动脉PI、阻力指数(RI)呈正相关,而在周围性眩晕组控制年龄、高血压因素后,总脑白质高信号体积、侧脑室旁脑白质高信号体积及深部脑白质高信号体积与经颅多普勒超声血流参数均无显著相关性。(4)全脑血流量(CBF)提示,与健康对照组相比,PPPD组在左侧颞中回、左侧枕中回的CBF增加,在左侧楔叶、左侧枕上回、左侧距状裂皮质的CBF减少。白质区域CBF提示,在左侧丘脑后辐射的CBF增加,在左侧胼胝体压部的CBF减少。头颅DTI纤维束追踪分析提示,PPPD组相比健康对照组在右侧胼胝体体部、右侧上放射冠区各向异性分数(FA)下降,在左侧额钳区域径向扩散系数(RD)升高,在右侧下额枕束区域轴向扩散系数(AD)升高,在右侧枕钳、左侧下额枕束区域AD下降。相关性分析提示,PPPD患者CBF下降区域的CBF值与左侧胼胝体体部ROI区域FA值呈正相关,与左侧额钳ROI区域RD呈负相关。【结论】PPPD患者平均年龄为59岁,大多数患者为女性,发作方式以反复发作或持续发作为主,且多合并焦虑、抑郁。排除高血压影响后,PPPD患者外周血血管紧张素Ⅱ升高且不伴有肾素、醛固酮升高,可能作为PPPD的辅助诊断依据。经颅多普勒超声提示PPPD患者左大脑中动脉RI升高,头颅MRI T2 FLAIR序列提示PPPD患者存在更多的脑白质高信号,且脑白质高信号与右大脑中动脉PI、RI相关。PPPD患者还表现与视觉处理相关脑区CBF变化和脑白质微结构改变,且CBF下降与脑白质微结构变化存在相关性,提示PPPD患者脑白质高信号可能与脑血流动力学变化有关。

关键词：持续性姿势-知觉性头晕脑白质高信号动脉自旋标记弥散张量成像

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移动众包中位置隐私保护和工人招募机制研究

移动众包中位置隐私保护和工人招募机制研究

作者：张成浩烟台大学

学位级别：硕士

随着移动智能设备和物联网的广泛普及,移动众包(Mobile Crowdsourcing,MCS)飞速发展。然而,MCS在为我们提供便利的同时,也带来了一系列挑战。首先是工人位置隐私问题。为了有效招募工人参与任务,众包平台需要工人上传地理位置信息,这就... 详细信息

随着移动智能设备和物联网的广泛普及,移动众包(Mobile Crowdsourcing,MCS)飞速发展。然而,MCS在为我们提供便利的同时,也带来了一系列挑战。首先是工人位置隐私问题。为了有效招募工人参与任务,众包平台需要工人上传地理位置信息,这就使其位置隐私面临泄露的风险。传统的位置隐私保护方法通过提供统一的隐私保护力度来保护工人的位置隐私。但由于工人隐私需求的多样化,统一的位置隐私保护力度往往不能满足工人的个性化需求。其次是工人招募问题。随着MCS中工人数量增多,任务场景愈加复杂,众包平台的工人招募策略需要满足任务的多样化需求。如何根据工人的位置信息、能力等关键因素为任务选择合适的工人也成为移动众包中的研究热点。移动众包中的工人位置隐私和工人招募问题紧密相关,本文将针对这两个问题展开研究。主要研究内容如下:1.针对工人位置隐私问题,本文提出一种个性化位置隐私保护机制。首先,提出一种工人位置隐私级别计算算法,第三方服务器通过工人的历史任务信息动态计算其位置隐私保护级别及奖励。然后,基于工人位置隐私级别,提出一种个性化差分隐私位置保护算法(P-DP),对不同的工人采用不同的打分函数,为其提供不同程度的位置隐私保护力度。最后,为了进一步解决P-DP算法中第三方服务器被攻击导致的工人位置隐私泄露问题,基于本地差分隐私机制,提出一种个性化本地差分隐私位置保护算法(P-LDP)。工人在本地根据其位置隐私级别个性化处理位置信息,不仅能够满足工人的个性化位置隐私需求,而且还能够降低位置信息质量损失,提高位置信息的可用性。2.针对工人招募问题,本文提出一种基于逆向拍卖的两阶段工人招募机制。该机制首先定义了工人的质量相关性、位置相关性和工人对任务的熟悉度等相关定义,并建立与工人效用之间的关系。然后将工人招募分为两个阶段,在离线阶段,利用遗传算法的思想,平衡工人竞价和效用之间的关系,增加数据来源的广泛性,提高平台收益。在在线阶段,通过分时域动态设定质量相关性阈值和工人效用比阈值,使阈值动态下降。在提高高质量工人比例的同时,为任务招募到足够数量的工人,保证任务完成质量。设立奖励机制,使工人能获得高于自身竞价的奖励,提高工人积极性,进而提高移动众包系统的整体效率。

关键词：移动众包位置隐私保护本地差分隐私工人招募动态双阈值

声门下区Rosai-Dorfman病1例并文献复习

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临床耳鼻咽喉头颈外科杂志 2024年第8期38卷 755-757页

作者：胡成浩高冯翔张英郭斌青海大学附属医院耳鼻咽喉科青海西宁810001

Rosai-Dorfman病是一种罕见的非朗格汉斯组织细胞疾病,具有淋巴结内和(或)结外表现。目前尚无治疗这种疾病的指导方案。本文报道1例声门下区的病例,患者未表现出典型的症状,如发烧或淋巴结病,术前极易被误诊为恶性肿瘤。患者接受了低温... 详细信息

Rosai-Dorfman病是一种罕见的非朗格汉斯组织细胞疾病,具有淋巴结内和(或)结外表现。目前尚无治疗这种疾病的指导方案。本文报道1例声门下区的病例,患者未表现出典型的症状,如发烧或淋巴结病,术前极易被误诊为恶性肿瘤。患者接受了低温等离子微创手术联合激素治疗,获得良好疗效。本文通过对Rosai-Dorfman病相关文献进行回顾,以便更好地了解此种罕见疾病的临床表现、诊断和治疗。

关键词： Rosai-Dorfman disease 声门下疾病外科手术

脆性材料统一断裂相场方法及其裂缝宽度的确定

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工程力学 2024年第6期41卷 1-8页

作者：王飞阳上海理工大学理学院深海高端装备系统研究院上海200093 上海理工大学环境与建筑学院土木工程系上海200093

岩石、混凝土等脆性材料的开裂问题一直是国内外关注的热点和难点,裂缝的演化使得脆性材料的力学性能难以预测。针对脆性材料的拉、剪和拉剪复合开裂问题,将统一拉伸断裂准则引入到相场理论,进而基于谱分解技术提出了统一断裂相场方法,... 详细信息

岩石、混凝土等脆性材料的开裂问题一直是国内外关注的热点和难点,裂缝的演化使得脆性材料的力学性能难以预测。针对脆性材料的拉、剪和拉剪复合开裂问题,将统一拉伸断裂准则引入到相场理论,进而基于谱分解技术提出了统一断裂相场方法,并通过交错算法在商业有限元软件中实现了该方法。拉伸断裂试验和拉剪复合断裂试验数值模拟结果表明:统一断裂相场方法具有热力学一致性,该方法不仅能准确模拟裂缝演化过程中脆性材料的力学性能,还能精准预测拉剪复合裂缝的扩展路径。此外,运用水平集理论构建了一个相场函数,识别了相场裂缝的分界面,进而通过理论推导得出了相场裂缝宽度的计算公式,并对其进行了验证。该研究旨在提出精准预测脆性材料拉、剪和拉剪复合开裂的相场方法,以保障土木工程结构的安全。

关键词：断裂相场方法拉剪复合裂缝热力学一致性交错算法裂缝宽度

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空间望远镜中快摆镜摆动引起的投影畸变效应

光学学报 2024年第11期44卷 58-65页

作者：李龙王维曹智睿孟庆宇李成浩中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

为了提高大口径大视场空间望远镜中精密稳像系统在稳像过程中的稳像精度,本文对精密稳像系统中快摆镜(FSM)摆动引起的投影畸变效应进行了理论分析。从几何光学角度,采用光线追迹法建立了FSM摆动引起的像移计算模型,并从不同视场像点的... 详细信息

为了提高大口径大视场空间望远镜中精密稳像系统在稳像过程中的稳像精度,本文对精密稳像系统中快摆镜(FSM)摆动引起的投影畸变效应进行了理论分析。从几何光学角度,采用光线追迹法建立了FSM摆动引起的像移计算模型,并从不同视场像点的位移中解析出投影畸变效应;以我国正在建设中的巡天空间望远镜为例,采用CODE V中的光线追迹结果进行交叉验证;根据这一模型,分析了对投影畸变效应可能产生影响的视场大小、FSM行程、FSM到焦面视场中心的距离等因素。结果表明:像移模型的计算精度很高,其计算结果与光线追迹计算结果误差不超过0.01μm;视场大小、FSM行程和中心视场主光线的入射角是影响投影畸变大小的主要因素。本文建立的像移计算模型能够满足实际应用需求,对投影畸变影响因素的分析结果可以为精密稳像系统的设计提供参考依据。

关键词：望远镜投影畸变光线追迹法齐次坐标变换法快摆镜精密稳像

虚拟购物改善轻度认知障碍患者认知功能的meta分析

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海军军医大学学报 2024年第9期45卷 1097-1106页

作者：吴成浩丁琦超孙旭毕晓莹海军军医大学(第二军医大学)第一附属医院神经内科上海200433

目的系统性评价虚拟购物对轻度认知障碍患者认知功能的改善效果。方法利用PubMed、EMBASE、Cochrane Library、Web of Science和中国知网数据库,检索建库至2023年9月发表的虚拟购物、轻度认知障碍、认知功能相关文献。严格按照纳入标准... 详细信息

目的系统性评价虚拟购物对轻度认知障碍患者认知功能的改善效果。方法利用PubMed、EMBASE、Cochrane Library、Web of Science和中国知网数据库,检索建库至2023年9月发表的虚拟购物、轻度认知障碍、认知功能相关文献。严格按照纳入标准筛选文献、提取资料,应用Review Manager 5.3软件进行meta分析。结果共纳入12项随机对照试验研究,包括382例轻度认知障碍患者。meta分析结果显示,与传统认知康复训练相比,虚拟购物能够改善轻度认知障碍患者的总体认知功能、执行功能、注意和日常生活能力(均P0.05)。结论虚拟购物对改善轻度认知障碍患者的总体认知功能、执行功能、注意和日常生活能力有益。

关键词：虚拟现实技术虚拟购物轻度认知障碍 meta分析