经皮穿刺手术软组织穿刺力建模与机器人应用软件设计

摘要

近年来，随着微创手术技术的快速发展和机器人应用领域的不断扩大，机器人辅助经皮穿刺手术受到越来越多学者和研究机构的关注。机器人辅助经皮手术不但能提高手术的精度和安全性，而且能减轻医生的疲劳，成为医疗机器人技术领域研究的热点。然而，目前大多数辅助介入手术机器人没有考虑力觉反馈问题，成为手术操作改善和安全性提升的瓶颈。
　　本课题模仿软组织穿刺手术过程采集了穿刺力数据，并建立了穿刺力模型，在此基础上基于模型特征提出了经皮穿刺手术辅助机器人进针控制策略，并将此策略算法在机器人应用软件中实现。研究工作不仅能为经皮穿刺手术提供进针过程中的穿刺力监督依据，提高手术的安全性和改善手术操作，而且还可以为手术模拟和培训提供逼真的模型数据。
　　论文首先在分析传统经皮穿刺手术流程和了解人体肝脏解剖结构及组织力学特性的基础上，构建了穿刺力数据采集系统，并在新鲜离体猪肝上进行了穿刺力数据采集。分析实验数据，将穿刺力数据曲线划分为“被膜刺破前”、“摩擦力产生前”和“力抖动”三个阶段，并分别建立力学模型，最后组合成完整的穿刺力模型。在对所完成的10个模型分析比较的基础上，针对单个模型难以泛化的缺点，提出了建立一个穿刺力模型库的设想。
　　分析了机器人辅助经皮穿刺手术的流程，并确定了机器人运动顺序和运动功能。在此基础上，将机器人应用软件结构划分为五个顺序模块：回零模块、拖拽定位模块、VRCM模块、进针模块和返回模块。根据每个模块所要实现的运动功能设计了机器人的运动算法，并基于VC++语言完成了软件编程。基于穿刺力模型特征提出了机器人进针控制策略，并将其具体算法融入进针模块程序中。
　　为了验证机器人应用软件中运动算法的准确性、可靠性，构建了机器人辅助经皮穿刺手术实验系统，分别完成了手动拖拽、定点调姿和进针控制三个实验。实验结果表明，机器人运动准确、可靠，达到了预期的功能要求。

目录

经皮穿刺手术软组织穿刺力建模与机器人应用软件设计

FORCE MODELING FOR PERCUTANEOUSINSERTION INTO SOFT TISSUE ANDSOFTWARE DESIGN FOR THE ROBOT

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景和研究目的

1.2 机器人辅助经皮穿刺手术发展概况

1.3 国内外机器人辅助经皮穿刺手术研究现状

1.4 主要研究内容

第2章 经皮穿刺手术软组织穿刺力数据采集

2.1 引言

2.2 经皮穿刺手术介绍

2.3 肝脏组织的解剖结构

2.4 肝脏组织的力学特性

2.5 数据采集系统搭建

2.6 软组织穿刺力数据采集

2.7 本章小结

第3章 基于实验数据的软组织穿刺力建模

3.1 引言

3.2 数据分析

3.3 穿刺力建模

3.4 穿刺力模型库

3.5 本章小结

第4章 机器人系统应用软件设计

4.1 引言

4.2 机器人辅助经皮穿刺手术流程

4.3 机器人运动算法设计及软件实现

4.4 本章小结

第5章 系统实验研究

5.1 引言

5.2 手动拖拽实验

5.3 定点调姿实验

5.4 基于模型特征的进针控制策略及实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致谢