前列腺放射性粒子植入機器人關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近距離放射性粒子植入治療術(shù)具有靶向性強、創(chuàng)傷小、療效快、副作用少等特點，已成為治療早期前列腺癌的必然趨勢。采用機器人系統(tǒng)輔助醫(yī)生實施手術(shù)治療，可以提高粒子植入的精度，提高患者的治療效果，減輕外科醫(yī)生勞動強度、減少感染和輻射。研制和開發(fā)具有自主產(chǎn)權(quán)、低成本和高性能的前列腺粒子植入機器人系統(tǒng)不但具有很高的學(xué)術(shù)價值，同時有利于該技術(shù)在國內(nèi)臨床上的應(yīng)用和推廣。但是將機器人系統(tǒng)成功用于前列腺癌的放射性粒子植入手術(shù)中，需要解決機器人構(gòu)型和尺寸優(yōu)化、

2、機器人控制精度和運動平穩(wěn)性、高精度和高效率穿刺等問題。本文為了解決以上問題對前列腺放射性粒子植入機器人關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究。
　　針對臨床粒子植入設(shè)計需求、狹窄空間操作、人體截石位手術(shù)特點，對超聲圖像導(dǎo)航前列腺粒子植入機器人構(gòu)型進行了綜合分析?？紤]材料、系統(tǒng)能耗、機器人的可操作性能，采用序列二次規(guī)劃算法對定位機構(gòu)尺寸進行了優(yōu)化?？紤]到放射性粒子對手術(shù)環(huán)境的核輻射、穿刺針強度和剛度對定位精度的影響，對粒子植入器進行了安全性設(shè)計和靜力

3、學(xué)仿真分析。采用上-下位機方式設(shè)計了機器人控制系統(tǒng)，研究了開放式控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計了控制系統(tǒng)的軟件體系。
　　為了提高粒子植入機器人定位精度和運動平穩(wěn)性，研究了機器人關(guān)節(jié)的加減速規(guī)劃算法和改進的閉環(huán)控制算法。為了避免機器人操作事故和減小手術(shù)時間、能耗，提出了一種基于安全操作平面的粒子植入規(guī)劃方法。結(jié)合安全操作平面策略、Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最短路徑搜索、以及6步循環(huán)粒子植入運行程序這三個過程，設(shè)計了安全可靠、人機協(xié)助的智能化

4、前列腺粒子植入機器人控制系統(tǒng)上位機控制軟件。
　　針對機器人操控植入器介入前列腺時，組織會產(chǎn)生漂移、變形以及針尖會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)等問題。采用正交實驗分析了穿刺針直徑，針尖角度，進針?biāo)俣?，以及插入深度對穿刺針偏轉(zhuǎn)的作用規(guī)律，采用極差分析方法給出了最優(yōu)的進針組合。為了改善機器人操控穿刺針的定位精度，設(shè)計和研制一種壓電式振動、旋轉(zhuǎn)穿刺裝置。通過對振動穿刺和旋轉(zhuǎn)穿刺效果評估實驗，提出了一種基于振動、旋轉(zhuǎn)混合的高精度進針策略，并設(shè)計了相應(yīng)的進針策

5、略控制軟件。
　　針對針介入軟組織時的抵觸力、機器人位形變化產(chǎn)生的重力矩波動以及關(guān)節(jié)減速器的摩擦力矩，都會影響機器人低速運行時的平穩(wěn)性和控制精度。采用拉格朗日方法建立機器人動力學(xué)方程，針對重力矩項，研究可變重力矩完全補償機制，建立可變重力矩完全補償?shù)臄?shù)學(xué)模型，設(shè)計和研制了十字交叉彈簧式可變重力矩補償裝置。通過重力矩補償分配仿真和實驗證明了該補償機制的有效性。為了實現(xiàn)擾動情況下對期望位置、速度的精確跟蹤，提出了基于重力矩和摩擦力矩模