基于力反馈的血管介入手术机器人系统主端操作器的设计与评估

摘要

近些年来，全球每年患心脑血管疾病将近1700万人，已经成为威胁人类生命健康的头号杀手。随着科学技术的发展，治疗手段也在逐步提升，但依然存在一些问题，比如医生在操作过程中无法避免的受到X光的辐射等，主从操作的介入手术机器人得到了广泛的应用，解决了一些传统手术存在的问题，但目前已有的血管介入手术机器人系统存在力反馈系统结构复杂、稳定性差的问题，因此，本文设计了一种新型的基于力反馈的血管介入手术机器人系统的主端操作系统，并对其进行了评估。
　　针对现阶段已有的血管介入手术机器人系统力反馈检测系统误差大的问题，本文提出了一种新型血管介入手术机器人辅助系统的主端操作器，本研究是基于电磁感应原理设计的一种新型主端力反馈系统，将电磁力作为从端导管在血管中的碰撞力传递给医生的手。除此之外，医生在操作过程中操作一根实际手术中用到的真实导管，它能够通过主侧的手术导管将从操作器检测到的手术导管所受阻力反馈到医生手上，提供给医生一种触觉临场感，有利于提高手术安全性。而且能充分利用在传统血管介入手术中的经验进行操作，以防因触觉差异而产生误差。
　　针对操作系统轴向运动信息由直线位移传感器测量精度不够的问题，本文提出了用光电编码器代替直线位移传感器测量运动信息，再用正交解码芯片形成四倍频，将光电编码器的旋转角度转换为前进后退的位移，再利用数码管将位移信息直观地显示给医生。本系统的从端操作器是整个手术过程中实际送导管的一端。导管的尖端及侧壁都装有力检测传感器，再传到医生的手，感应从端的受力情况。
　　本文提出了一种新型基于力反馈的血管介入手术机器人系统的主端操作器的设计与研究，并对整个系统进行力反馈系统的评估及验证，得到力反馈最大误差小于6mN；最后测试新主从操作系统主从追踪的稳定性，评估整个新系统性能，得到轴向追踪系统最大误差小于1.6 mm，径向追踪系统最大误差小于3.6°，说明主从端同步跟随性能较为稳定。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3总结已存在研究中出现的问题

1.4本文的主要研究内容

1.5本章小结

第二章 新型血管介入手术机器人系统设计

2.1血管介入手术操作系统概述

2.2新型主端操作器的硬件结构设计

2.3从操作器的硬件结构设计

2.4主从端控制器

2.5本章小结

第三章 基于新主端操作器的力反馈系统的评估与验证

3.1从端导管碰撞力的检测

3.2主从端力反馈评估实验

3.3本章小结

第四章 新型血管介入手术机器人主从追踪实验验证及分析

4.1主从同步跟随稳定性实验

4.2主从同步追踪实验结果及其分析

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1研究工作总结

5.2研究工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢