腫瘤穿刺中基于UR機(jī)器人控制方法的研究

發(fā)布時(shí)間：2021-06-21 17:45:56     作者：顯揚(yáng)科技

      腫瘤的穿刺在腫瘤微創(chuàng)介入治療中起到重要作用,，穿刺的精度直接影響后續(xù)手術(shù)的效果,。目前臨床中的穿刺操作一般由醫(yī)生手動(dòng)進(jìn)行或者在引導(dǎo)設(shè)備的幫助下進(jìn)行，暫時(shí)沒有能輔助醫(yī)生完成穿刺動(dòng)作實(shí)施的設(shè)備。這一方面導(dǎo)致了手術(shù)效果高度依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)及患者的配合程度,、精度穩(wěn)定性低,，難以達(dá)到例如對(duì)布針平行性要求很高的納米刀等介入療法的要求,；另一方面增加了醫(yī)生的疲勞度,，同時(shí)也增加了患者所受輻射傷害的程度。為了彌補(bǔ)現(xiàn)有手動(dòng)實(shí)施穿刺的不足,，需設(shè)計(jì)一種高自動(dòng)化的設(shè)備在醫(yī)生的控制下實(shí)施準(zhǔn)確的進(jìn)針操作,。
 
      為此，本文利用機(jī)器人高精度的線性運(yùn)動(dòng),，結(jié)合光學(xué)導(dǎo)航裝置的實(shí)時(shí)跟蹤,、軟件規(guī)劃模塊的穿刺方案,，構(gòu)建了機(jī)器人輔助系統(tǒng)，輔助醫(yī)生完成腫瘤穿刺,。為了完成穿刺動(dòng)作的實(shí)施,，需解決現(xiàn)有機(jī)械臂末端夾持器不能穩(wěn)固夾持穿刺針等問(wèn)題。為了貫通光學(xué)導(dǎo)航定位裝置,、機(jī)械臂及穿刺針,，還需實(shí)現(xiàn)三者之間的手眼標(biāo)定、工具-法蘭標(biāo)定的問(wèn)題,。

      在此基礎(chǔ)上,，需完成系統(tǒng)內(nèi)部不同坐標(biāo)系間的坐標(biāo)換算，得到穿刺入口點(diǎn),、靶點(diǎn)及角度指令,，最終控制機(jī)器人完成腫瘤穿刺的進(jìn)針動(dòng)作。
 
本文針對(duì)以上問(wèn)題,，完成了相應(yīng)研究?jī)?nèi)容：
（1）構(gòu)建了機(jī)器人輔助腫瘤穿刺系統(tǒng),。采用參數(shù)合適的UR10機(jī)器人,，結(jié)合光學(xué)導(dǎo)航定位裝置,、設(shè)計(jì)的新型夾持器以及穿刺針構(gòu)成了系統(tǒng)硬件平臺(tái)。系統(tǒng)軟件平臺(tái)主體由穿刺路徑規(guī)劃模塊構(gòu)成,，結(jié)合術(shù)前影像與導(dǎo)航裝置的跟蹤定位,，完成手術(shù)路徑的規(guī)劃。將規(guī)劃結(jié)果輸入到機(jī)器人模塊結(jié)合坐標(biāo)換算關(guān)系得到控制指令,。最終通過(guò)頭模等實(shí)驗(yàn)證實(shí)了本系統(tǒng)的有效性,。
 
（2）研究了適于臨床使用的快速標(biāo)定方法?；诹_德里格斯旋轉(zhuǎn)公式和矩陣偽逆計(jì)算這兩個(gè)基礎(chǔ)的矩陣計(jì)算方法,，提出了一種實(shí)用性高的基于三回路計(jì)算的標(biāo)定方法，可實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的手眼標(biāo)定及工具-法蘭標(biāo)定,。最后仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該方法通過(guò)13 個(gè)位姿數(shù)據(jù)即可完成誤差穩(wěn)定在5 毫米以內(nèi)的手眼標(biāo)定及工具-法蘭標(biāo)定。在達(dá)到高精度的同時(shí)可基于較少的數(shù)據(jù)量完成標(biāo)定,，適用于臨床高精度,、快速標(biāo)定的應(yīng)用需求。
 
（3）研究機(jī)器人的穿刺控制方法,?；跇?biāo)定結(jié)果，計(jì)算出了系統(tǒng)各坐標(biāo)系間的未知變換矩陣,，將光學(xué)導(dǎo)航定位裝置坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人基座坐標(biāo)系下,，得到入口點(diǎn),、靶點(diǎn)，進(jìn)一步得到穿刺針擺位角度,。最終通過(guò)點(diǎn)精度,、直線及圓軌跡控制精度誤差實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)的控制精度誤差在5 毫米以下,。
 
      本文設(shè)計(jì)了一種用于經(jīng)皮穿刺的手術(shù)機(jī)器人末端通用夾持器,，利用機(jī)器人的線性運(yùn)動(dòng)，可以完成穿刺動(dòng)作的實(shí)施,?；跈C(jī)械臂，結(jié)合光學(xué)導(dǎo)航定位裝置構(gòu)建了用于腫瘤穿刺的機(jī)器人系統(tǒng),。提出了一種基于三回路計(jì)算的標(biāo)定方法,，基于少量數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)算法即可完成高精度的手眼標(biāo)定及工具-法蘭標(biāo)定。解決了控制參數(shù)換算及機(jī)器人線性穿刺控制的問(wèn)題,。最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所構(gòu)建的輔助穿刺機(jī)器人能有效減少穿刺手術(shù)的準(zhǔn)備時(shí)間,，能完成穿刺動(dòng)作的精準(zhǔn)實(shí)施，減輕了醫(yī)生負(fù)擔(dān),、減小了對(duì)患者的輻射傷害,、降低了穿刺手術(shù)并發(fā)癥的危險(xiǎn)性，適于臨床穿刺手術(shù)的應(yīng)用,，有較好的應(yīng)用前景,。

備注：本文出華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程 張哲思 碩士學(xué)位論文《腫瘤穿刺中機(jī)器人控制方法的研究》如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們刪除,。
 
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