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穿刺机器人系统设计及标定方法研究

穿刺机器人系统设计及标定方法研究

作者：胡顺武汉工程大学

学位级别：硕士

穿刺技术一直是国内外医疗手术行业研究的重点,然而,目前手工穿刺技术在精确引导方面存在显著的缺陷,致使治疗过程中存在极大的挑战性,而部分所采用的机器人辅助技术完全依赖于昂贵的进口设备,这在一定程度上显著提高了医疗成本,因此急... 详细信息

穿刺技术一直是国内外医疗手术行业研究的重点,然而,目前手工穿刺技术在精确引导方面存在显著的缺陷,致使治疗过程中存在极大的挑战性,而部分所采用的机器人辅助技术完全依赖于昂贵的进口设备,这在一定程度上显著提高了医疗成本,因此急需一种自主研发,且能实现精准稳定引导的人机协作穿刺平台,以满足国内的需求。本文以医院的实际需求为导向,研制了一款穿刺机器人系统,通过手柄控制以完成穿刺过程,可以实现对患者靶点组织的提取,填补了国内该领域的技术空白。首先,本文根据医院的现场调研开展技术现状分析,确定了穿刺机器人的构型与关键技术参数,据此对标准器件进行选型及部分关节的结构设计,对关键承重器件进行刚体静力学分析及有限元内应力分析,从而完成整机的结构设计。其次,基于对偶数理论对机器人进行运动学分析,通过MATLAB对穿刺机器人工作空间及穿刺针灵活度进行分析,利用遗传算法实现对机器人结构参数的优化。再次,采用了基于PC/工控机+运动控制卡的机器人控制系统方案,运用Altium Designer平台进行接线板的制作,从而实现各硬件的高效布线,通过LabVIEW进行穿刺机器人软件控制系统的构建及人机交互界面的设计,并最终通过穿刺实验,验证该穿刺机器人的结构设计合理,穿刺针末端角度范围等各项性能满足实际参数指标。最后,设计了一种标定工装以及提出了“三点测量标记法”的双机器人基坐标标定方法,以实现穿刺机器人在医疗协作系统中的基坐标标定,并将标定系统在双机器人平台上进行了相关实验验证,结果表明该标定方法可以实现快速低成本的双机器人基坐标标定,对穿刺机器人在多机器人协作系统中的应用起到较强的技术支撑作用。

关键词：穿刺机器人对偶数遗传算法标定系统

FBG嵌入式套管柔性针穿刺机器人结构设计及穿刺控制

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FBG嵌入式套管柔性针穿刺机器人结构设计及穿刺控制

作者：刘德强哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

经皮穿刺手术在现代临床实践中有着广泛的应用。现阶段临床上采用的是徒手刚性针穿刺,但其存在固有的局限性。而穿刺机器人所操控的柔性针穿刺则可以实现复杂的穿刺路径,可避开体内神经、骨骼以及血管等障碍,在提高靶向穿刺精度、手术... 详细信息

经皮穿刺手术在现代临床实践中有着广泛的应用。现阶段临床上采用的是徒手刚性针穿刺,但其存在固有的局限性。而穿刺机器人所操控的柔性针穿刺则可以实现复杂的穿刺路径,可避开体内神经、骨骼以及血管等障碍,在提高靶向穿刺精度、手术效率和安全性等方面有着巨大的优势和潜力。同时在穿刺过程中,穿刺针深入人体组织内部,其状态肉眼不可见,只能借助超声、CT、MRI等医学图像观察,但这些成像方式有着一定辐射性危害或材料的限制,导致精度和实时性无法同时被满足。因此,本文以穿刺机器人控制柔性针对前列腺靶点精确穿刺为目标,开展对穿刺机器人的结构设计、柔性针形状感知和穿刺控制的研究。设计光纤布拉格光栅FBG(Fiber Bragg Grating)嵌入式套管柔性针穿刺机器人。分析前列腺穿刺机器人的设计要求,进行机器人自由度的分配、构型的选择以及空间布局的确定。在此基础上,完成穿刺机器人的结构设计,并进行机器人的正运动及逆运动学分析,采用蒙特卡洛随机采点法对穿刺机器人的工作空间仿真。提出基于FBG传感的柔性针形状感知的方法。根据FBG传感的原理,将FBG传感器集成到套管柔性针上,设计FBG嵌入式套管柔性针。设计基于扩展卡尔曼滤波算法的曲率扭转估计器,得到针不同位置的离散曲率和扭转。最后提出对柔性针形状重建及针尖位置计算的数值方法。提出套管柔性针穿刺路径跟踪控制方法。对套管柔性针运动学进行分析,通过改进RRT算法规划穿刺路径,但是由于个体间的组织各向异性、控制误差等不确定因素的存在,穿刺时针会偏离预定路径。为此设计的模糊控制器将形状感知到的针尖位置误差和误差变化率作为反馈,在线计算控制偏移量,控制穿刺机器人调整针的穿刺轨迹,实现柔性针穿刺路径跟踪控制,提高穿刺精度。进行针的形状感知及穿刺控制实验验证。基于本文的研究内容加工穿刺机构实验样机并搭建穿刺系统实验平台。进行针的单弯曲和双弯曲形状感知实验,实验结果表明形状感知方法具有较高的实时形状感知精度。并且在有障碍物的穿刺环境中,对靶点进行多次穿刺实验,实验结果显示提出的穿刺路径跟踪控制方法具备的路径跟踪能力以及穿刺精度满足临床要求。

关键词：柔性针穿刺机器人形状感知 FBG传感器穿刺控制

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穿刺机器人在微创外科手术中的应用进展

中国疼痛医学杂志 2020年第5期26卷 376-380页

作者：王乃堃骆敏舟陆丽娟南京大学医学院附属鼓楼医院疼痛科南京210008 江苏省产业研究院智能制造技术研究所南京210000

穿刺操作是微创外科手术(minimally invasive surgery,MIS)的重要组成部分,高精度穿刺是医疗安全与质量的保证,医师经验和操作技能的差异,限制了此类手术的发展。穿刺机器人具有操作稳定、精准和灵活等优点,能够提高穿刺成功率、减少并... 详细信息

穿刺操作是微创外科手术(minimally invasive surgery,MIS)的重要组成部分,高精度穿刺是医疗安全与质量的保证,医师经验和操作技能的差异,限制了此类手术的发展。穿刺机器人具有操作稳定、精准和灵活等优点,能够提高穿刺成功率、减少并发症。近年来机器人技术的发展及精准性的提高,广大医务工作者对其关注度日益增加。疼痛科的核心技术为微创介入穿刺,包括颌面部三叉神经、舌咽神经等穿刺以及和颈、胸、腰部神经根、背根神经节、交感神经、椎间盘及椎体等重要部位的穿刺操作,穿刺机器人在提高操作精度、降低操作难度、缩短培养周期等方面优势明显,在慢性疼痛微创治疗领域有着广阔的发展空间。本文回顾了近年来国内外穿刺机器人的发展及使用现状,并展望该技术在慢性疼痛微创介入治疗中的应用前景。

关键词：穿刺微创外科手术医疗机器人穿刺机器人

肝脏肿瘤穿刺机器人目标定位与呼吸补偿控制方法研究

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肝脏肿瘤穿刺机器人目标定位与呼吸补偿控制方法研究

作者：唐华杰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

经皮穿刺手术是诊断和治疗肝脏肿瘤的重要手段之一。在临床实践中,医生通过图像引导手持穿刺针进行穿刺,该过程需要多次调整穿刺路径,操作繁琐费时且精度低。虽然穿刺手术机器人系统可以提高穿刺精度和简化手术操作,但是肝脏位置受呼吸... 详细信息

经皮穿刺手术是诊断和治疗肝脏肿瘤的重要手段之一。在临床实践中,医生通过图像引导手持穿刺针进行穿刺,该过程需要多次调整穿刺路径,操作繁琐费时且精度低。虽然穿刺手术机器人系统可以提高穿刺精度和简化手术操作,但是肝脏位置受呼吸运动影响,临床上需要患者屏住呼吸后再进行穿刺。而屏气穿刺存在如下问题:术前CT扫描时刻与术中穿刺手术操作时刻患者屏息下的肿瘤位置可能不一致,或者患者无法可控地长时间屏息。为了解决这些问题,设计了穿刺机器人系统,研制了样机,开展穿刺目标动态定位和肿瘤呼吸运动补偿控制的研究,并开展实验验证。针对CT引导下的肝脏肿瘤穿刺手术,提出了基于肿瘤呼吸运动估计模型的穿刺目标动态定位方法,并开发了相应的肝脏肿瘤穿刺手术导航系统;采用工业协作机械臂与定制的穿刺机构结合搭建穿刺手术机器人,其中穿刺机构采用微型直流电机驱动,具有控制穿刺针旋转运动和进给运动两个自由度,结构紧凑。针对患者无法可控地长时间屏息的问题,提出了基于变导纳的呼吸运动补偿控制方法,利用六轴力/力矩传感器反馈穿刺针的受力/力矩,并结合肿瘤位置估计模型和力/力矩反馈进行力-位混合控制,在吸气末基于目标肿瘤位置导航进行穿刺;在其他呼吸时相基于反馈的力/力矩,机器人把持穿刺针对呼吸运动进行跟随,从而兼顾自由呼吸下穿刺手术的精准性和安全性。为了搭建不同屏息下和自由呼吸下的机器人穿刺实验平台,设计了肝脏肿瘤呼吸运动模拟平台,并利用螺旋CT对肿瘤呼吸模拟平台的运动数据进行采集;针对机器人辅助肝脏肿瘤穿刺,提出了一种利用光学标记物的自动注册方法,有效提高影像注册的精度和效率。在搭建的实验平台上开展不同屏息状态下的机器人辅助肝脏肿瘤穿刺实验、自由呼吸下基于力-位混合控制的肝脏肿瘤动态穿刺实验。实验结果表明,所提出的肿瘤呼吸运动估计模型能够准确估计肿瘤位置,同时基于力-位混合控制能实现较精准的肿瘤穿刺,满足临床穿刺精度要求。

关键词：穿刺机器人肿瘤定位呼吸补偿变导纳控制

图像引导下的胸腹部穿刺手术机器人关键技术研究

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图像引导下的胸腹部穿刺手术机器人关键技术研究

作者：马良天津大学

学位级别：硕士

为提高胸腹部肿瘤穿刺手术过程的自动化程度,本文对手术中的穿刺模板定位及穿刺针进针等关键技术进行研究,开发了手术机器人系统,进行了结构设计、分析、优化及实验验证等工作,主要研究内容如下:首先,针对临床手术中穿刺模板手动定位过... 详细信息

为提高胸腹部肿瘤穿刺手术过程的自动化程度,本文对手术中的穿刺模板定位及穿刺针进针等关键技术进行研究,开发了手术机器人系统,进行了结构设计、分析、优化及实验验证等工作,主要研究内容如下:首先,针对临床手术中穿刺模板手动定位过程复杂、精度及效率差的问题,研发了第二代连床式半自动穿刺手术机器人,实现了CT图像引导下的穿刺模板自动定位。完成了机器人本体的制造和装配,并基于运动控制器实现了控制系统的搭建及调试。在实验室环境下利用激光跟踪仪进行了定位误差校正,并对末端转动自由度误差进行了补偿。水凝胶穿刺实验显示机器人穿刺精度为1.03 mm,符合临床手术要求。其次,设计了10自由度落地式全自动穿刺机器人,实现了穿刺针进针过程的自动化。机器人采用双臂式构型,分别进行模板的自动定位及穿刺针自动进给。完成了机器人的运动学和动力学分析,为精确点位控制提供了理论基础。对机器人关键零部件进行了有限元分析,验证其静、动态特性符合设计要求。最后,分析了全自动穿刺机器人的双臂协同性。计算并提取双臂协同工作空间,并以该协同区域面积作为指标对双臂位置参数进行了优化。考虑到穿刺过程中的避障,提出多针穿刺的进针原则。通过联合仿真,验证了运动学计算的准确性及路径规划的合理性。

关键词：穿刺机器人模板定位多针自动穿刺精度实验双臂协同

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新型核磁兼容乳腺癌穿刺手术机器人

新型核磁兼容乳腺癌穿刺手术机器人

作者：刘文轩天津大学

学位级别：硕士

本论文研发了一套核磁兼容乳腺癌穿刺手术机器人。通过分析核磁环境下临床手术需求及限制条件,对乳腺癌穿刺手术机器人进行了结构设计、运动学分析、丝传动设计、控制系统搭建,并最终完成了实验室环境下的精度实验以及临床环境下的核磁... 详细信息

本论文研发了一套核磁兼容乳腺癌穿刺手术机器人。通过分析核磁环境下临床手术需求及限制条件,对乳腺癌穿刺手术机器人进行了结构设计、运动学分析、丝传动设计、控制系统搭建,并最终完成了实验室环境下的精度实验以及临床环境下的核磁兼容性测试实验,主要工作及研究成果如下:首先,基于核磁环境下的临床需求以及模块化设计思想,完成了三自由度串联关节型机器人结构设计,包括人体支撑模块设计、主体执行模块设计、乳腺夹具设计,并提出了一种基于乳腺夹具的最佳穿刺路径算法。根据D-H方法完成了运动学分析,根据运动学正解绘制机器人可达工作空间;根据运动学逆解,计算得到每一个关节变量参数值。并完成了机器人的加工、装配和调试工作。然后,为保证足够的工作空间以及紧凑的机械结构,引入丝传动,并解决了丝传动设计中的关键技术问题,保证了丝传动结构的稳定运行。根据临床环境下丝材料实验以及机构绕丝实验,完成了丝材料的选型,最终选用Kevlar作为传动丝的材料。根据曲线插值拟合方法,完成了传动丝在传动过程中的变形误差补偿,提高了机器人系统精度。其次,根据临床环境下的驱动控制系统设计需求,完成了基于运动控制卡的控制系统总体方案设计,包括系统硬件设计和软件设计。硬件设计部分包括:控制系统采用超声波电机驱动,并通过光学编码器实时反馈位置信息,保证了机器人系统具有良好的核磁兼容性。软件设计部分包括:基于LabVIEW的上位机软件程序编写以及机器人逻辑控制分析。最后,完成了机器人系统在实验室环境下的精度实验以及临床环境下的核磁兼容性测试实验。实验结果显示机器人系统具有良好的核磁兼容性,平均穿刺误差在0.77 mm,符合临床要求。

关键词： MRI导航核磁兼容穿刺机器人丝传动设计乳腺癌

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穿刺手术机器人系统的设计

穿刺手术机器人系统的设计

作者：杨记鑫重庆大学

学位级别：硕士

医疗业关乎全人类的民生大计,是我国科学发展中必不可少的核心行业,在互联网和机械行业的发展下,医疗辅助机器人登上了舞台并逐渐受到人们的欢迎。穿刺手术机器人是在成像设备指导下,按照医生规划的路径,将小体积的手术穿刺针,送入病人... 详细信息

医疗业关乎全人类的民生大计,是我国科学发展中必不可少的核心行业,在互联网和机械行业的发展下,医疗辅助机器人登上了舞台并逐渐受到人们的欢迎。穿刺手术机器人是在成像设备指导下,按照医生规划的路径,将小体积的手术穿刺针,送入病人的病变组织器官,取出所需的细胞样本,或者把药物送入需要治疗的部位,该手术对病人造成的伤口小而且恢复快,操作简便,经济实惠,具有很高的安全性,越来越受到医生和病人的欢迎。本文主要研究关于浅表器官的穿刺手术机器人系统,包括三个部分。机械部分对传统机构运动原理进行分析,总结相应的模型,设计了三个自由度的空间定位机构,实现X、Y、Z方向平移,一个自由度的偏转机构,实现进针角度的调整,以及一个自由度的末端执行机构,控制直线进针退针,并对各个主要零件的型号和大小进行详细的设计和验证;硬件部分采用模块化的设计,对中央控制FPGA模块进行电路设计,包含晶振电路、电源电路、复位电路和隔离电路,电机驱动模块进行电平转换设计,数据采集模块进行传感器的选型,设计了信号放大电路、限幅电路和AD采集电路,通信模块设计了USB通信电路;软件部分采用Verilog HDL语言,实现电机驱动功能、AD采样功能和USB通信功能,并结合Quartus II软件工具进行相应的仿真验证。本文设计的机器人系统,空间定位机构和偏转机构可以使穿刺针到达指定的进针点,采用模糊控制的方法,通过穿刺针的进针深度和受到的力可以实时调节穿刺速度,实现进针退针。经过测试机器人的定位误差在1mm以内,满足手术需求。

关键词：穿刺机器人 FPGA 模糊控制 AD采集 UART通信

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穿刺手术机器人系统设计与控制方法研究

穿刺手术机器人系统设计与控制方法研究

作者：徐翔浙江大学

学位级别：硕士

微创手术凭借其出血少,术后感染率低,并发症少,疤痕小等优点在过去的30年里得到了迅速发展。作为微创手术中常见而重要的一环,穿刺过程通常会直接影响到手术质量。由机器人来完成穿刺手术可以提升操作精度,减轻人手震颤以及消除医生辐... 详细信息

微创手术凭借其出血少,术后感染率低,并发症少,疤痕小等优点在过去的30年里得到了迅速发展。作为微创手术中常见而重要的一环,穿刺过程通常会直接影响到手术质量。由机器人来完成穿刺手术可以提升操作精度,减轻人手震颤以及消除医生辐射风险,具有很大的研究价值。本文主要对针对穿刺手术使用的机器人系统作一系列开发研究。其主要内容包括主要包括以下几部分。（1）搭建穿刺机器人硬件平台在对比串联机械臂在实现远端中心运动的基础上,提出了具有远端运动中心机构的穿刺机器人设计。该穿刺机器人采用了模块化的设计,由用以定位的笛卡尔坐标系式移动平台,用以姿态调整的远端转臂和用以穿刺的穿刺进针单元三个独立部分构成。（2）穿刺机械人运动规划与控制通过运动学模型与运动空间的分析,讨论了机器远端中心机构在穿刺场景下的应用优势。并基于弧形转臂本身立体定位的设计,通过为转臂增加两枚点字激光器的方法,提出了一种新颖的进针点对准方法。该方法可在仅有单一摄像头的情况下,通过约束机器进行定向运动,达到进针点的快速对准,因而解除了在进针点对准过程中对商用定位器的依赖。（3）穿刺过程监测与穿刺实验本机器设计为手术中与手术床正位与侧位的两台X光影像下配合使用。为更好地辅助穿刺前的路径对准,本文提出了基于图像的穿刺针跟踪方法。该方法选用直线段来描述刺针。结合采用传统的概率霍夫变换与一定的先验知识,实现了穿刺针在进针过程当中的动态跟踪,并在两侧影像的离线视频中进行了方法的验证。另外,本文还分析了穿刺过程中的受力模型,并通过机器人对离体组织的穿刺试验进行了模型验证。

关键词：穿刺机器人立体定位手术刺针检测穿刺实验

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基于感性意象的穿刺机器人设计研究

基于感性意象的穿刺机器人设计研究

作者：海来阿叶长安大学

学位级别：硕士

穿刺手术是癌症病理诊断组织取样与微创治疗的常用手段,传统影像引导下的穿刺操作不仅对医师经验和手术状态都有较高要求,而且CT等医学影像引导下的穿刺需要多次扫描,会造成医患双方辐射量增加。为解决以上问题,国内外部分企业、高校和... 详细信息

穿刺手术是癌症病理诊断组织取样与微创治疗的常用手段,传统影像引导下的穿刺操作不仅对医师经验和手术状态都有较高要求,而且CT等医学影像引导下的穿刺需要多次扫描,会造成医患双方辐射量增加。为解决以上问题,国内外部分企业、高校和医院都参与了穿刺机器人的研发。目前市场上的医疗穿刺系统基本满足功能需求,但国内医疗设备研发历史短,产品创新度低,设计较为粗糙,产品竞争力不强。针对上述问题,本文从工业设计角度出发,对医疗穿刺机器人功能结构及外观造型方案开展创新设计研究,构建医疗设备创新设计方法与流程,为企业提供可行性与经济性好的医疗穿刺机器人创新设计方案。首先,通过实地观察、线下访谈、文献资料调研等方式获取情境信息,运用情境故事法构建穿刺机器人的使用情境,据此挖掘用户需求。使用KJ法整理需求项,构建医疗穿刺机器人用户需求层次结构模型。使用Kano模型并引入Better-Worse系数计算相对用户满意度,对需求项进行分类和排序。其次,应用功能分析法分析相关典型产品的功能结构,结合用户需求确定医疗穿刺机器人总功能,进行功能树和功能结构的创新设计,对其功能元求解并整理为功能元载体形态学矩阵,组合得到多个功能原理方案,并筛选出可行性高的功能原理创新方案。再次,运用多元尺度法从收集的医疗穿刺机器人造型样本中选取典型样本,运用SD语义差异法和因子分析法确定代表性意象词汇,构建感性意象语义空间。运用数量化Ⅰ类理论构建医疗穿刺机器人多目标意象与造型形态、色彩和材质要素之间的映射模型,并运用多元线性回归方法展开代表性意象词汇与设计元素的相关性分析,构建医疗穿刺机器人造型多目标优化设计模型。最后,基于设计的功能原理创新方案、感性意象与造型相关性分析结果,结合人机工学等理论设计医疗穿刺机器人外观造型方案。基于用户需求确定方案评价指标,运用模糊综合评价法确定医疗穿刺机器人相对最优概念设计方案。对优选方案进行结构设计与原型构建,通过对原型的使用情境仿真分析,验证医疗穿刺机器人概念设计方案的合理性与环境协调性。

关键词：穿刺机器人概念设计方案感性意象功能结构分析 Kano模型