血管介入手术机器人在模拟血管环境下的特性分析

摘要

随着传感器技术和智能化技术的快速发展，将机器人手术引入到微创手术领域，利用其高度的精准性更好的辅助医生手术，受到了医生的高度重视，成为了国内外研究的热点。微创手术机器人系统是将视觉信息和触觉信息分别通过操作界面、触觉反馈等方式同时反馈给医生，由医生控制操作器来完成手术。这大大的提高了医生手术操作的灵活性、方便性和手术的安全性以及准确性。然而，现有的血管介入手术机器人仍存在缺乏力反馈，检测精度差等问题。而且，大多数研究者对血管介入手术机器人系统性能的评估是在静止的血管模型环境中进行，并未考虑人体血液本身的流动特性对于系统的影响。为此，本文开展了对血管介入手术机器人在模拟血管环境下的相关研究，具体如下： 首先，本文对研究中所用血管介入手术机器人的系统结构和设计原理进行了详细阐述。根据血管介入手术机器人的总体结构，建立了其动力学模型，并且建立了从端操作器轴向和径向运动的动力学模型。随后利用运动学方法对介入导管进行了正运动学和逆运动学分析，探索了导管可到达的工作空间范围，求解了其运动学逆解和雅克比矩阵，这为更好的控制导管的运动位置提供了参考。同时针对系统操控导管的方式提出了导管操作的安全控制方法。 其次，本文采用流体力学方法对三维软件中建立的血管模型进行了数值模拟计算，得到了血管壁的形变方程和受力表达式。并在有限元软件ANSYS中对血管模型进行了血流动力学分析，研究了分支血管中血液在不同的流动速度环境下的流动特性以及血管壁的受力及形变情况。这可以为血管介入手术提供最优化的血流动力学参数，提高手术的成功率，保障手术的长期有效性，可以为手术器械的优化提供有力的理论支撑。 最后，本文在模拟血管环境的实验平台上对手术机器人系统的运动特性和力反馈特性进行了评价。分析了液体流速对于介入导管受力和运动的影响以及不同的流速环境下机器人系统的主从力反馈性能。由力反馈实验结果可知，主端反馈力和从端检测力之间的平均误差在7mN以内，说明机器人系统具有良好的力反馈性能。通过比较导管碰撞力与血管壁的最大应力值，可以知道本系统对导管与血管的接触力值的控制是处于血管壁的安全受力范围之内。由轴向及径向运动实验可得，本系统主端操作器和从端操作器轴向位移平均误差小于1mm，旋转角度的平均误差值在5度之内，说明本机器人系统具有良好的可控性和同步跟随性能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2血管介入手术机器人的国内外研究现状

1.3现存研究中存在的问题

1.4本课题的主要研究内容

1.5本章小结

第二章 血管介入手术机器人系统设计

2.1血管介入手术机器人系统构成

2.2主端操作器的结构设计

2.3从端操作器的结构设计

2.4血管介入手术机器人主从端之间的通信

2.5本章小结

第三章 血管介入手术机器人动力学及运动学分析

3.1血管介入手术机器人的动力学分析

3.2导管的运动学分析

3.3导管操作的安全性分析

3.4本章小结

第四章 血管介入手术机器人操作环境的血流动力学分析

4.1血流动力学基本方程

4.2分叉血管的数值计算

4.3仿真结果

4.4本章小结

第五章 血管介入手术机器人系统的测试及特性分析

5.1实验平台

5.2系统的运动特性评价实验

5.3系统的力反馈性能评价实验

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢