微创血管手术导管介入机器人的控制研究

摘要

近年来，心血管疾病患者逐年增加，发病率日益升高。以导管为核心手术器械的微创介入手术具有创伤小、恢复快等优点，在世界范围内被广泛用于心血管疾病的治疗。传统心血管介入手术的整个手术过程中，医生需要在手术现场实施插管和诊疗操作，不可避免的身处具有有害辐射的条件下，长期手术累积辐射对身体危害很大。此外，导管在人体心血管内的一系列操作是极其精细的，这对于医生的操作技巧及经验提出了很高的要求。特别地，医生无法准确获取导管远端与血管组织接触力的大小，导致了穿孔等多种手术并发症。
　　本文围绕心血管介入诊疗手术的辅助送管机器人系统展开研究，针对上述传统导管介入手术存在的问题，研究机器人辅助导管介入操作的控制技术。导管介入机器人系统具有主从式结构，主端为操纵手柄和人机交互界面，从端输送机构是基于PMAC卡的伺服驱动系统。导管输送过程的实现就是通过主端手柄或上位机发送力/位置指令控制从端送管机构将导管送入体内。本文所研究的控制技术主要面向该导管介入系统的安全性与精密性。
　　针对导管介入的安全性进行了相关研究，实现操作系统的力觉反馈功能与力控制功能。将导管末端集成微型力传感器，并将采集力信息映射到主端操纵手柄，给予操作者更逼真的触觉信息。通过手动送管经验总结出导管受力与运动量间的关系，并基于该力-位置关系采用阻抗调节方法与模糊控制方法，对导管末端受力进行控制。最后对力控制算法进行仿真分析，结果表明添加力控制算法后，导管末端受力被限制在预期范围内。
　　针对系统的操作精度，首先采用目前广泛应用的基于PMAC的导管输送半闭环控制方案进行研究，然后在此基础上提出基于导管末端位置的全闭环控制。采用改进的PID算法与智能PID算法，实现了导管对期望位置的快速稳定精确跟踪。经仿真表明，提出的全闭环控制方案，相比半闭环控制下导管输送具有更高的精确性与稳定性。
　　本文提出的力反馈技术与力控制技术，可以很好地保障手术过程的安全性，全闭环的位置控制也提高了导管输送的精度，这些功能的研究对于改善手术的安全性与精细性是是极其必要的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文具体内容

第2章 主从式机器人辅助导管介入系统

2．1 引言

2．2 主从式导管介入系统总体结构

2．3 系统从端结构

2．3．1 可控导管结构

2．3．2 导管输送机构

2．3．3 输送控制机构

2．4 系统主端结构及功能

2．4．1 力反馈手柄

2．4．2 上位机控制界面

2．5 本章小结

第3章 操作系统力感知功能设计

3．1 引言

3．2 力传感器工作原理

3．3 力传感器标定

3．3．1 橡胶标定方案

3．3．2 实验平台搭建

3．3．3 数据采集程序设计

3．3．4 数据处理分析

3．4 远端力反馈功能实现

3．4．1 力传感器分布

3．4．2 末端力到手柄的映射

3．5 本章小结

第4章 导管介入系统位置控制方法研究

4．1 引言

4．2 导管输送过程的半闭环位置控制

4．3 导管输送过程的全闭环位置控制

4．3．1 常规PID控制算法

4．3．2 改进PID控制算法

4．3．3 智能PID控制算法

4．4 仿真及分析

4．5 本章小结

第5章 导管介入系统力控制方法研究

5．1 引言

5．2 导管输送过程的力控制

5．2．1 系统控制方案

5．2．2 阻抗模型建立

5．2．3 系统力控制算法

5．3 仿真及分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢