磁共振圖像向?qū)У墓腔顧z手術(shù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、骨活檢手術(shù)作為發(fā)展成熟的微創(chuàng)手術(shù)，在臨床診斷中發(fā)揮著重要的作用，尤其為很多可疑疾病提供一種全新的確診方法和研究途徑。傳統(tǒng)骨活檢手術(shù)主要依賴臨床醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)判斷手術(shù)切口位置和深度，不僅易導(dǎo)致手術(shù)失敗增加病人二次手術(shù)的痛苦，而且易導(dǎo)致人體某些關(guān)鍵部位醫(yī)療事故的發(fā)生。圖像向?qū)У氖中g(shù)機(jī)器人技術(shù)結(jié)合醫(yī)學(xué)圖像、電子信息、機(jī)械工程、自動(dòng)化、控制工程、圖像處理等學(xué)科的優(yōu)勢，具有定位準(zhǔn)確、控制精度高和可視化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可以輔助解決現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的一些難題，成

2、為目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一?；诠腔顧z手術(shù)的醫(yī)學(xué)診斷價(jià)值和磁共振成像的突出優(yōu)勢，本文提出將磁共振圖像向?qū)中g(shù)機(jī)器人引入骨活檢手術(shù)，并對(duì)磁共振圖像向?qū)Ч腔顧z手術(shù)機(jī)器人的一些關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了較為深入的研究。論文主要完成以下研究內(nèi)容。
　　研究了磁共振圖像向?qū)中g(shù)機(jī)器人兼容性的兩個(gè)組成部分，即磁共振兼容性和結(jié)構(gòu)兼容性。從磁共振基本原理、磁共振成像原理方面介紹了磁共振物理基礎(chǔ)，分析了材料順磁性與抗磁性對(duì)磁共振成像的影響，結(jié)合信噪比、空間

3、分辨力和對(duì)比度討論了評(píng)價(jià)磁共振圖像質(zhì)量的方法。分析封閉式磁共振環(huán)境下機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，通過優(yōu)化傳統(tǒng)手術(shù)操作解決了手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)兼容性技術(shù)問題。建立磁共振環(huán)境的等效模型，分析了金屬材料在靜磁場中的磁感線分布和磁場強(qiáng)度分布。通過仿真渦流場在不同相位時(shí)影響磁共振圖像質(zhì)量的機(jī)理，為研究 MRI環(huán)境下手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)和手術(shù)工具的運(yùn)動(dòng)對(duì)磁共振圖像的影響提供分析方法。
　　提出一種穩(wěn)定性高和手術(shù)時(shí)間短的自動(dòng)骨活檢樣本提取方法。根據(jù)手術(shù)針介入軟組

4、織過程力的組成因素建立了Neo-Hookean超彈性材料模型，研究了手術(shù)工具直徑、手術(shù)工具形狀、介入速度和約束方式對(duì)軟組織介入過程的影響。骨骼鉆削測試結(jié)果表明，自動(dòng)骨骼鉆削在平均力與最大力的偏差、平均操作時(shí)間等方面較手動(dòng)鉆削方式有顯著改善。通過研究旋轉(zhuǎn)速度、手術(shù)工具直徑對(duì)骨骼鉆削過程力的影響，為本文擬開發(fā)的骨活檢手術(shù)機(jī)器人確定最大旋轉(zhuǎn)速度、安全控制力提供了理論依據(jù)，解決了骨活檢手術(shù)機(jī)器人操作過程控制參數(shù)選擇問題。
　　提出磁共振圖

5、像向?qū)Ч腔顧z手術(shù)機(jī)器人手術(shù)過程安全控制方法。建立了生物組織的3D實(shí)體模型，研究了模型優(yōu)化、網(wǎng)格優(yōu)化和有限元分析內(nèi)容。在通用LightSpeed64排螺旋掃描儀上獲取新鮮豬腿骨的CT圖像，保存為DICOM標(biāo)準(zhǔn)格式；借助Mimics工具實(shí)現(xiàn)豬大腿骨3D實(shí)體重建模；采用逆向工程軟件Geomagic Studio、基于優(yōu)化算法的光順法和智能Laplacian光順法優(yōu)化豬體大腿骨3D實(shí)體模型和網(wǎng)格；基于灰度值方法實(shí)現(xiàn)3D實(shí)體模型材料賦值；建立手術(shù)

6、工具模型，在Abaqus中完成骨骼介入過程的有限元分析。本文從減輕病人痛苦和防止骨骼斷裂等方面綜合考慮，確定了研究對(duì)象在骨骼介入階段的進(jìn)給速度?；谏锝M織實(shí)體模型的有限元分析方法，解決了手術(shù)過程安全性控制技術(shù)問題。
　　提出基于 Flexiforce傳感器的力反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。通過設(shè)計(jì)簡易和通用的Flexiforce傳感器固定裝置，完成在常規(guī)環(huán)境、磁共振環(huán)境下傳感裝置的標(biāo)定和磁共振兼容性測試。測試結(jié)果表明，F(xiàn)lexiforc

7、e傳感裝置不僅具有良好的磁共振兼容性，而且在磁共振掃描儀工作時(shí)采取減震措施有效地改善振動(dòng)引起的擾動(dòng)，消除機(jī)械振動(dòng)對(duì)力數(shù)據(jù)采集過程的影響。設(shè)計(jì)了以超聲波電機(jī)、Flexiforce傳感器、尼龍、鋁合金、銅合金等非鐵磁性材料組成的力反饋系統(tǒng)測試平臺(tái)。以新鮮動(dòng)物軟組織為測試對(duì)象，完成Flexiforce傳感器力反饋系統(tǒng)和對(duì)照力反饋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)力測試性能對(duì)比研究。測試結(jié)果表明，在設(shè)定的介入深度范圍內(nèi)，兩者的介入力曲線擬合度高達(dá)約95％，即基于Flex

8、iforce傳感器的力反饋系統(tǒng)可以用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測試。該設(shè)計(jì)方法為開發(fā)骨活檢手術(shù)機(jī)器人解決了構(gòu)建磁共振兼容的力反饋系統(tǒng)的技術(shù)難題。
　　提出提高超聲波電機(jī)磁共振兼容性的設(shè)計(jì)方案。采用歸一化信噪比計(jì)算方法對(duì)比分析安裝距離對(duì)磁共振兼容性的影響，確定了超聲波電機(jī)的安全距離。磁共振兼容性測試結(jié)果表明，超聲波電機(jī)USR30比USR60引起較少的磁共振干擾，增加超聲波電機(jī)數(shù)量會(huì)降低圖像質(zhì)量，超聲波電機(jī)平行安裝方式比垂直安裝方式獲取更好的磁共振圖