MR环境下的前列腺机器人及其进针运动规划研究

摘要

随着影像技术和医疗机器人在临床应用研究中的不断深入，磁共振(MR)图像与前列腺机器人相结合进行前列腺疾病诊断和治疗的手段将成为一种发展趋势。然而封闭式MR图像扫描仪内有限的操作空间严重制约了前列腺机器人构型的发展，而且MR图像显示的前列腺外边界模糊，内外部灰度分布不均匀，难以为前列腺机器人提供明确的目标靶点所在区域的位置信息。除此之外，会阴处的狭窄操作空间和手术针在组织中的偏转为前列腺机器人进针运动规划带来一定的困难。由此，本文将对MR环境下的前列腺机器人结构、前列腺MR图像分割方法以及基于MR图像的前列腺机器人进针运动规划等问题展开研究。
　　针对MR扫描仪内空间有限的特点，对MR环境下的前列腺机器人的构型进行研究。根据对MR扫描仪内的工作空间、患者手术体位、前列腺手术空间的分析，基于螺旋理论得到机器人2R3T自由度类型。利用螺旋理论约束条件和进针手术的实际约束条件对运动副进行配置，得到五自由度串联RZRYRYRZRY型机器人构型。根据所得构型进行机器人主体结构和进针结构的设计。为满足机器人封闭解条件，机器人腕部采用十字交叉设计方式。通过对机器人主体结构和进针机构的静力学分析及模态分析，进一步验证机器人结构设计的合理性。基于D-H坐标变换建立机器人正运动学方程，并求其运动学解析解，同时获得机器人运动空间。
　　针对前列腺内外轮廓全分割的问题，在对前列腺解剖结构和MR图像信号显示分析的基础上，提出一种基于边缘距离调整水平集演化的前列腺MR图像两步分割方法，并以临床上前列腺的中央腺和外周带两个具有指导意义的区域划分作为前列腺MR图像分割方法研究的先验知识和理论基础，实现前列腺内外轮廓全分割。设计前列腺内外轮廓全分割的人机交互界面，分别对正常、增生和癌变10个病例共30幅图像进行分割实验研究，验证所提出的基于边缘距离调整水平集演化的两步分割方法对实现前列腺内外轮廓全面分割的有效性。
　　针对在经会阴狭窄操作空间及手术针在组织中发生偏转的情形下如何进针前列腺全域内目标靶点的问题，对前列腺进针运动规划方法进行研究。构建前列腺机器人进针手术系统，建立机器人主体与进针机构之间，机器人与前列腺MR图像之间的运动关系。基于虚拟非线弹簧模型，建立手术针在组织中偏转的运动模型，提出基于虚拟靶点的平移直进针、基于虚拟靶点定点斜进针法以及基于嵌套遗传算法的斜进针运动规划方法，并给出不同规划方法的选择依据。
　　为验证所提出的前列腺机器人进针运动规划方法的准确性，对分割后的MR图像不同区域内的若干目标靶点进行进针运动仿真研究。基于AutodeskInventor软件建立前列腺机器人仿真系统，基于Matlab软件进行机器人进针运动规划人机交互界面设计，并对进针运动规划方法的仿真结果进行评价。为实现基于MR图像的前列腺内部目标靶点的进针运动，搭建前列腺进针运动实验平台。在验证手术针进针前列腺某一横断上同一目标靶点的重复定位精度和稳定性的基础上，进行前列腺内部目标靶点进针运动研究，根据内部每层实际途经点的MR图像映射位置信息不断调整手术针的进针路径，使手术针不断向目标靶点逼近，实现前列腺内部目标靶点的进针运动，并对实验结果进行分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景、目的和意义

1．2 MR环境下的前列腺机器人国内外现状

1．3 基于MR图像的前列腺分割方法的国内外现状

1．3．1 前列腺外轮廓图像分割方法的国内外现状

1．3．2 前列腺内部区域图像分割方法的国内外现状

1．4 前列腺进针运动规划国内外现状

1．5 课题来源及研究内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 课题主要研究内容

第2章 MR环境下的前列腺机器人设计及其运动学分析

2．1 引言

2．2 MR环境下的前列腺机器人设计要求分析

2．2．1 MR扫描仪内工作空间要求分析

2．2．2 患者手术体位分析

2．2．3 前列腺手术空间要求分析

2．2．4 材料兼容要求分析

2．3 基于螺旋理论的前列腺机器人构型分析

2．3．1 自由度类型分析

2．3．2 机器人构型分析

2．4 MR环境下的前列腺机器人设计

2．4．1 外置式主体结构设计

2．4．2 腕部设计

2．4．3 进针机构设计

2．5 前列腺机器人静力学及模态分析

2．5．1 主体结构静力学分析

2．5．2 进针机构静力学分析

2．5．3 前列腺机器人模态分析

2．6 前列腺机器人主体结构运动学分析

2．6．1 运动学建模

2．6．2 运动学正解

2．6．3 运动学逆解

2．6．4 运动空间分析

2．7 本章小结

第3章 基于水平集的前列腺MR图像两步分割方法研究

3．1 引言

3．2 前列腺解剖结构及其MR信号显示分析

3．3 DRLSE分割方法研究

3．3．1 DRLSE分割方法

3．3．2 参数讨论分析

3．4 基于边缘DRLSE的前列腺MR图像两步分割法

3．4．1 构建统一能量函数

3．4．2 内外轮廓分割初始化

3．4．3 内外轮廓分割边界约束

3．4．4 前列腺MR图像两步分割流程

3．5 基于边缘DRLSE的前列腺MR图像两步分割实验

3．5．1 人机交互界面设计

3．5．2 MR图像分割结果及评价

3．6 本章小结

第4章 基于MR图像的前列腺机器人进针运动规划方法研究

4．1 引言

4．2 MR环境下的前列腺机器人进针系统建模

4．2．1 MR环境下的前列腺机器人进针系统构建

4．2．2 目标点在MR图像空间的坐标变换

4．2．3 MR环境下的前列腺机器人进针系统运动建模

4．3 基于虚拟非线性弹簧模型的手术针偏转分析

4．3．1 手术针-组织相互作用的虚拟非线性弹簧模型

4．3．2 手术针偏转位移建模

4．3．3 手术针进针靶点的确定

4．4 基于MR图像的前列腺机器人进针运动规划方法研究

4．4．1 基于虚拟靶点的平移直进针法

4．4．2 基于虚拟靶点的定点斜进针法

4．4．3 基于嵌套遗传算法的斜进针法

4．4．4 不同进针运动规划方法选择依据

4．5 本章小结

第5章 基于MR图像的前列腺进针运动仿真与实验研究

5．1 引言

5．2 前列腺机器人进针运动仿真

5．2．1 前列腺机器人进针运动仿真系统

5．2．2 基于虚拟靶点的平移直进针运动仿真

5．2．3 基于虚拟靶点的定点斜进针运动仿真

5．2．4 法的进针运动仿真

5．2．5 前列腺机器人进针运动仿真评价

5．3 基于MR图像的前列腺进针运动实验

5．3．1 基于MR图像的前列腺进针实验系统搭建

5．3．2 前列腺仿生组织的制备

5．3．3 前列腺横断层目标靶点进针运动实验

5．3．4 前列腺内部目标靶点进针运动实验

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢