腫瘤穿刺中基于UR機(jī)器人控制方法的研究
發(fā)布時間：2021-06-21 17:45:56 作者：顯揚(yáng)科技
腫瘤的穿刺在腫瘤微創(chuàng)介入治療中起到重要作用，穿刺的精度直接影響后續(xù)手術(shù)的效果。目前臨床中的穿刺操作一般由醫(yī)生手動進(jìn)行或者在引導(dǎo)設(shè)備的幫助下進(jìn)行，暫時沒有能輔助醫(yī)生完成穿刺動作實施的設(shè)備。這一方面導(dǎo)致了手術(shù)效果高度依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗及患者的配合程度、精度穩(wěn)定性低，難以達(dá)到例如對布針平行性要求很高的納米刀等介入療法的要求；另一方面增加了醫(yī)生的疲勞度，同時也增加了患者所受輻射傷害的程度。為了彌補(bǔ)現(xiàn)有手動實施穿刺的不足，需設(shè)計一種高自動化的設(shè)備在醫(yī)生的控制下實施準(zhǔn)確的進(jìn)針操作。
為此，本文利用機(jī)器人高精度的線性運動，結(jié)合光學(xué)導(dǎo)航裝置的實時跟蹤、軟件規(guī)劃模塊的穿刺方案，構(gòu)建了機(jī)器人輔助系統(tǒng)，輔助醫(yī)生完成腫瘤穿刺。為了完成穿刺動作的實施，需解決現(xiàn)有機(jī)械臂末端夾持器不能穩(wěn)固夾持穿刺針等問題。為了貫通光學(xué)導(dǎo)航定位裝置、機(jī)械臂及穿刺針，還需實現(xiàn)三者之間的手眼標(biāo)定、工具-法蘭標(biāo)定的問題。
在此基礎(chǔ)上，需完成系統(tǒng)內(nèi)部不同坐標(biāo)系間的坐標(biāo)換算，得到穿刺入口點、靶點及角度指令，最終控制機(jī)器人完成腫瘤穿刺的進(jìn)針動作。
本文針對以上問題，完成了相應(yīng)研究內(nèi)容：
（1）構(gòu)建了機(jī)器人輔助腫瘤穿刺系統(tǒng)。采用參數(shù)合適的UR10機(jī)器人，結(jié)合光學(xué)導(dǎo)航定位裝置、設(shè)計的新型夾持器以及穿刺針構(gòu)成了系統(tǒng)硬件平臺。系統(tǒng)軟件平臺主體由穿刺路徑規(guī)劃模塊構(gòu)成，結(jié)合術(shù)前影像與導(dǎo)航裝置的跟蹤定位，完成手術(shù)路徑的規(guī)劃。將規(guī)劃結(jié)果輸入到機(jī)器人模塊結(jié)合坐標(biāo)換算關(guān)系得到控制指令。最終通過頭模等實驗證實了本系統(tǒng)的有效性。
（2）研究了適于臨床使用的快速標(biāo)定方法。基于羅德里格斯旋轉(zhuǎn)公式和矩陣偽逆計算這兩個基礎(chǔ)的矩陣計算方法，提出了一種實用性高的基于三回路計算的標(biāo)定方法，可實現(xiàn)本系統(tǒng)的手眼標(biāo)定及工具-法蘭標(biāo)定。最后仿真和實際實驗結(jié)果表明，該方法通過13 個位姿數(shù)據(jù)即可完成誤差穩(wěn)定在5 毫米以內(nèi)的手眼標(biāo)定及工具-法蘭標(biāo)定。在達(dá)到高精度的同時可基于較少的數(shù)據(jù)量完成標(biāo)定，適用于臨床高精度、快速標(biāo)定的應(yīng)用需求。
（3）研究機(jī)器人的穿刺控制方法。基于標(biāo)定結(jié)果，計算出了系統(tǒng)各坐標(biāo)系間的未知變換矩陣，將光學(xué)導(dǎo)航定位裝置坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人基座坐標(biāo)系下，得到入口點、靶點，進(jìn)一步得到穿刺針擺位角度。最終通過點精度、直線及圓軌跡控制精度誤差實驗表明，本系統(tǒng)的控制精度誤差在5 毫米以下。
本文設(shè)計了一種用于經(jīng)皮穿刺的手術(shù)機(jī)器人末端通用夾持器，利用機(jī)器人的線性運動，可以完成穿刺動作的實施。基于機(jī)械臂，結(jié)合光學(xué)導(dǎo)航定位裝置構(gòu)建了用于腫瘤穿刺的機(jī)器人系統(tǒng)。提出了一種基于三回路計算的標(biāo)定方法，基于少量數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)算法即可完成高精度的手眼標(biāo)定及工具-法蘭標(biāo)定。解決了控制參數(shù)換算及機(jī)器人線性穿刺控制的問題。最終通過實驗驗證了本文所構(gòu)建的輔助穿刺機(jī)器人能有效減少穿刺手術(shù)的準(zhǔn)備時間，能完成穿刺動作的精準(zhǔn)實施，減輕了醫(yī)生負(fù)擔(dān)、減小了對患者的輻射傷害、降低了穿刺手術(shù)并發(fā)癥的危險性，適于臨床穿刺手術(shù)的應(yīng)用，有較好的應(yīng)用前景。
備注：本文出華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程 張哲思 碩士學(xué)位論文《腫瘤穿刺中機(jī)器人控制方法的研究》如有侵權(quán)，請聯(lián)系我們刪除。
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