MRI环境下乳腺介入机器人穿刺路径规划研究

发布时间：2021-02-13 07:46

　　核磁共振成像（MRI）因其优良的成像质量为乳腺介入手术提供了新的图像导航手段。但是,MRI的高磁场和十分有限的工作空间,制约了MRI环境下乳腺介入机器人的应用。另一方面,手术过程中针尖斜面与软组织的相互作用产生针的弯曲变形,导致针尖偏离预定方向,因此,穿刺针的针尖偏转和机器人路径规划也是当前亟待解决的问题。本文提出一种MRI兼容的乳腺介入机器人,利用最小势能原理建立针穿刺软组织过程中的针偏转模型。基于此偏转模型,进一步研究机器人穿刺路径规划问题。针对核磁共振环境的高磁场、有限空间与俯卧位手术的特点,对MRI环境下乳腺介入机器人进行兼容性研究及结构优化。通过MRI图像扫描,对不同材料进行兼容性实验,利用Matlab软件对图像进行布尔减运算分析,为材料兼容问题提供解决方案。利用TRIZ理论中的矛盾矩阵对机器人机构进行创新求解,结合“功能分析”、“发明原理”、“物-场模型”等方法,提出一种改进型直角坐标机器人,得到MRI环境下乳腺介入机器人的最优化机构,并提出一种基于软轴的远程驱动方式。对针-组织相互作用力进行分析。采用离散化方法,将每单元长度的针体近似为摩擦力恒定的刚性直轴,通过积分,建立... 

【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省

【文章页数】：117 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究的背景、目的和意义
        1.1.1 课题研究的背景
        1.1.2 课题研究的目的及意义
    1.2 MRI环境下乳腺介入机器人国内外研究现状
        1.2.1 乳腺介入机器人构型的国内外研究现状
        1.2.2 MRI兼容性问题的国内外研究现状
    1.3 针-组织相互作用机理国内外研究现状
        1.3.1 针偏转模型国内外研究现状
        1.3.2 针-组织相互作用力模型国内外研究现状
    1.4 穿刺路径规划国内外研究现状
    1.5 存在的主要问题
    1.6 课题来源及研究内容
        1.6.1 课题来源
        1.6.2 课题主要研究内容
第2章 MRI环境下乳腺介入机器人构型分析及结构优化
    2.1 引言
    2.2 MRI环境下乳腺介入机器人系统要求
        2.2.1 核磁兼容性要求
        2.2.2 结构兼容性要求
        2.2.3 驱动方式兼容性要求
        2.2.4 乳腺介入手术空间要求
        2.2.5 乳腺组织稳定性要求
    2.3 MRI环境下乳腺介入机器人系统方案分析
        2.3.1 受限空间下乳腺介入机器人构型分析
        2.3.2 乳腺组织固定方式分析
        2.3.3 核磁兼容的机器人驱动方式分析
    2.4 MRI环境下乳腺介入机器人结构设计
        2.4.1 定位模块
        2.4.2 穿刺模块
        2.4.3 乳腺夹持模块
        2.4.4 机器人工作空间分析
        2.4.5 材料兼容性分析
    2.5 本章小结
第3章 针-组织相互作用模型
    3.1 引言
    3.2 针-组织相互作用力建模
        3.2.1 未刺入组织前针的力学模型
        3.2.2 刚刚刺入组织时针的力学模型
        3.2.3 针在组织内运行时的力学模型
    3.3 针-组织相互作用的虚拟非线性弹簧模型
        3.3.1 进针过程的离散化模型
        3.3.2 基于虚拟非线性弹簧的针偏转模型
        3.3.3 针偏转模型参数分析
    3.4 本章小结
第4章 基于针偏转模型的机器人穿刺路径规划
    4.1 引言
    4.2 乳腺介入机器人运动规划
    4.3 乳腺介入机器人运动学分析
        4.3.1 机器人运动学正问题
        4.3.2 机器人运动学逆问题
    4.4 基于针偏转模型的机器人穿刺路径分析与建模
        4.4.1 穿刺路径分析
        4.4.2 穿刺路径建模
        4.4.3 穿刺路径优化算法
        4.4.4 路径优化仿真结果与分析
    4.5 本章小结
第5章 针穿刺及路径规划实验研究
    5.1 引言
    5.2 穿刺针性能参数及实验装置
    5.3 仿生软组织的选择与制备
    5.4 针偏转模型实验验证
        5.4.1 穿刺力与摩擦力采集
        5.4.2 针尖轨迹仿真与实验结果对比分析
        5.4.3 非线性弹簧模型与线性弹簧模型对比分析
    5.5 路径规划模型实验验证
    5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的学术论文
专利
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]针穿刺软组织实验与穿刺力力学建模[J]. 郭菁莘,高德东,李丽荣.  青海大学学报(自然科学版). 2014(03)
[2]乳腺癌手术的乳房修复与重建[J]. 张保宁.  癌症进展. 2013(05)
[3]乳腺癌的MRI应用进展[J]. 尹茵,甘洁.  中国中西医结合影像学杂志. 2013(02)
[4]2000～2010年我国前列腺癌和乳腺癌流行状况的系统性综述[J]. 唐志柳,白洁,顾丽娜,李岚,薛迪.  中国肿瘤. 2013(04)
[5]乳腺癌的综合治疗现状[J]. 刘力,刘国文,谭米多.  中国肿瘤外科杂志. 2013(01)
[6]植入式医学传感器体内通信的建模与分析[J]. 高跃明,潘少恒,麦炳源,韦孟宇,杜民.  仪器仪表学报. 2012(12)
[7]乳腺癌的流行现状分析[J]. 方琼英,吴琼,张秀玲,马小丽.  中国社会医学杂志. 2012(05)
[8]核磁共振环境下六自由度穿刺定位机器人的研制[J]. 孟纪超,谢叻,神祥龙.  上海交通大学学报. 2012(09)
[9]基于核磁图像导航的前列腺针刺手术机器人[J]. 郭杰,姜杉,冯文浩,刘筠.  机器人. 2012(04)
[10]核磁共振环境下机器人驱动及控制传感技术研究[J]. 姜杉,郑鹏,刘筠,张震,冯文浩,郭杰.  应用基础与工程科学学报. 2012(03)

硕士论文
[1]核磁图像导向手术机器人结构设计与动力学分析[D]. 郭杰.天津大学 2012
[2]核磁共振兼容的手术穿刺定位机器人研制[D]. 孟纪超.上海交通大学 2012
[3]基于势能场的针刺软组织轨迹规划及实验研究[D]. 刘晓艳.天津大学 2010
[4]MRI环境下的介入机器人设计及运动仿真[D]. 耿利威.哈尔滨理工大学 2010
[5]经皮穿刺手术软组织穿刺力建模与机器人应用软件设计[D]. 胡旺宁.哈尔滨工业大学 2009
[6]经皮穿刺手术辅助机器人系统研究[D]. 修雯雯.哈尔滨工业大学 2007



本文编号：3032195