導(dǎo)管機(jī)器人系統(tǒng)的建立及其關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、血管微創(chuàng)介入手術(shù)具有出血少、創(chuàng)傷小、痛苦輕和術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)插管操作的三個(gè)基本環(huán)節(jié)所存在的缺點(diǎn)在很大程度上限制了這種手術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展：導(dǎo)管的可操控性能差，導(dǎo)致頻繁的誤操作和嘗試性操作，使得插管的效率和成功率低，且易對(duì)血管造成損傷；醫(yī)生位于手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施手工操作的方式既使醫(yī)生遭受輻射，又對(duì)操作技術(shù)提出很高的要求，且無(wú)法保證導(dǎo)管介入的穩(wěn)定性和精確性；傳統(tǒng)的2D X-ray引導(dǎo)圖像既產(chǎn)生大量的輻射，又不

2、利于醫(yī)生分辨血管組織的3D解剖結(jié)構(gòu)。針對(duì)上述這些缺點(diǎn)，本文提出了一種新型的導(dǎo)管機(jī)器人系統(tǒng)，由彎形可控導(dǎo)管、主從介入裝置、電磁跟蹤定位傳感器和3D引導(dǎo)圖像組成，具體內(nèi)容如下：
　　研究了兩種彎形可控導(dǎo)管，分別是形狀記憶合金(Shape Memory Alloy, SMA)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)管和鋼絲牽引導(dǎo)管。綜合 SMA的本構(gòu)方程、導(dǎo)管的彎曲力學(xué)方程和傳熱方程建立了單和多 SMA驅(qū)動(dòng)導(dǎo)管的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)測(cè)試 SMA導(dǎo)管樣機(jī)的彎曲角度和溫度，對(duì)

3、SMA驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固有的滯回特性進(jìn)行了研究，從而驗(yàn)證了所建立動(dòng)力學(xué)模型的有效性。
　　研制了7Fr的單彎鋼絲牽引導(dǎo)管及其專用手柄，其彎曲段的前后端各集成1個(gè)5DOF電磁傳感器，遠(yuǎn)端還攜帶2個(gè)電極和1個(gè)熱電偶。對(duì)導(dǎo)管前端集成雙5DOF和單6DOF電磁傳感器的遠(yuǎn)端形狀進(jìn)行正確的顯示。
　　采用主從控制方式來(lái)實(shí)施插管操作。研制了專用的導(dǎo)管輸送機(jī)構(gòu)和手柄操縱機(jī)構(gòu)，在手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)代替醫(yī)生完成操作。輸送機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)導(dǎo)管的推/拉和扭轉(zhuǎn)操作，其中

4、扭轉(zhuǎn)操作是通過(guò)對(duì)2個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)合成來(lái)實(shí)現(xiàn)，避免了電機(jī)整體旋轉(zhuǎn)。手柄操縱機(jī)構(gòu)能夠?qū)κ直讓?shí)施推/拉操作，使得導(dǎo)管遠(yuǎn)端彎曲和恢復(fù)，以及對(duì)手柄實(shí)施推/拉和扭轉(zhuǎn)操作。對(duì)導(dǎo)管和輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，將柔性的導(dǎo)管用剛性的桿和關(guān)節(jié)進(jìn)行表示，采用D-H法建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，獲得了導(dǎo)管端部的工作空間。使用3DOF手柄實(shí)現(xiàn)主從操作。輸送機(jī)構(gòu)的主摩擦輪上設(shè)置有2組觸力傳感器，可以將輸送過(guò)程中所受到的阻力進(jìn)行反饋，并對(duì)手柄的力反饋進(jìn)行設(shè)置，以增強(qiáng)介入操作的

5、真實(shí)感。
　　開(kāi)發(fā)了用于輔助介入操作的3D圖像引導(dǎo)軟件，采用四個(gè)視圖幫助醫(yī)生確定導(dǎo)管和血管的空間位置關(guān)系。首先在對(duì)2D的切片數(shù)據(jù)進(jìn)行3D重建的基礎(chǔ)上，利用廣義勢(shì)場(chǎng)的方法對(duì)血管模型的中心線進(jìn)行了提取。在中心線上手工拾取起始點(diǎn)和靶點(diǎn)，生成導(dǎo)航路徑，采用Cardinal三次樣條曲線進(jìn)行平滑。以導(dǎo)航路徑為依據(jù)對(duì)虛擬相機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)漫游導(dǎo)航。采用方向包圍盒方法實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)管端部與血管模型的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)，并提供導(dǎo)管端部與血管壁的距離信息。

6、通過(guò)預(yù)配準(zhǔn)和精確配準(zhǔn)兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)圖像坐標(biāo)系與傳感器坐標(biāo)系的映射。
　　利用研制的單彎鋼絲牽引導(dǎo)管、主從輸送裝置和引導(dǎo)圖像構(gòu)建了導(dǎo)管機(jī)器人系統(tǒng)。對(duì)單彎鋼絲牽引導(dǎo)管及輸送裝置的性能進(jìn)行了測(cè)試。在血管模型中成功地實(shí)施了多次插管操作驗(yàn)證了所構(gòu)建導(dǎo)管機(jī)器人系統(tǒng)的可行性和有效性。通過(guò)對(duì)2D和3D圖像引導(dǎo)手工和手柄操作插管所需的操作時(shí)間及成敗進(jìn)行比較，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了定量的分析。利用實(shí)際介入過(guò)程中導(dǎo)管與血管壁面接觸時(shí)，引導(dǎo)圖像上導(dǎo)管端部與血管