医用自动穿刺针偏转系统的设计与实现

发布时间：2020-03-27 03:35

【摘要】：近年来,甲状腺、乳腺等浅表器官癌症发生率越来越高,癌症的准确诊断是研究者关注的热点。在当前甲状腺、乳腺等浅表器官的穿刺活检手术中,大多凭借医生的经验在体外图像引导下手动穿刺取细胞活检,穿刺精度不高,容易出现穿刺手术失败的情况。本文针对当前甲状腺、乳腺等浅表器官的穿刺活检系统进行改进,采用自动穿刺活检系统代替手动穿刺活检,即机器人辅助经皮穿刺取细胞进行活检。相比手动穿刺,自动穿刺活检系统具有穿刺路径规划准确、自动进针和穿刺精度更高等优点,同时降低人为因素的影响。在未来穿刺手术中,自动穿刺活检系统将越来越有价值。该自动穿刺活检系统分为多普勒超声成像、穿刺针偏转和穿刺针进针三个主要部分,论文研究的主要内容是对自动穿刺活检系统中穿刺针偏转部分的设计与实现。首先介绍了甲状腺、乳腺等浅表器官的自动穿刺活检系统研究背景以及在国内外的发展状况,接着阐述了自动穿刺活检系统的相关原理,给出了穿刺针偏转系统的整体结构,然后对穿刺针偏转系统软硬件平台进行分析和设计,首先实现硬件电路中FPGA最小系统的设计(包含时钟模块、复位模块、电源模块和下载电路等模块的设计),接着对FPGA外围功能电路进行设计(包括与上位机进行通信的串口电路、电平转换电路和AD采集电路等),同时采用增量式PID控制算法设计PID控制器,将FPGA外围器件连成整体,对穿刺针的偏转进行闭环控制。在上位机平台和下位机平台搭建的软件平台中,下位机设计利用Quartus II 15.0软件进行开发,采用Verilog HDL语言硬件实现串口接收发送模块、步进电机驱动模块和采样时钟模块;上位机设计利用LabVIEW虚拟仪器平台进行开发,实现向下位机传送角度控制参数和接收下位机传送的角度数据,将角度数据进行显示、监测。最后对穿刺针偏转系统中PID控制器和步进电机模块进行Modelsim仿真验证,以及对穿刺针角度偏转的准确性进行测试,测试结果表明角度偏转误差均在1°的要求以内。设计该自动穿刺活检系统对推动浅表器官穿刺活检技术的发展具有重要的理论意义和临床应用价值。
【图文】：

超声图像,微创,斯坦福大学,研究人员

对国内外自动穿刺活检技术的研宄成果进行介绍和分析。逡逑１９９４年，美国Ｊｏｈｎｓｏｎ邋＆邋Ｊｏｈｎｓｏｎ研宄者推出一款麦默通微创系统（Ｔｈｅ逡逑Ｍａｍｍｏｔｏｍｅ邋Ｓｙｓｔｅｍ），用于对乳腺肿物的穿刺活检［１Ｇ］，如图１．１所示。２００４年，逡逑美国ＦＤＡ认证新一代的麦默通旋切技术可用于乳腺病灶的切除，该乳腺穿刺活检逡逑系统技术成熟，包含旋切刀与真空抽吸泵这两个主要部分，将传统的乳房包块开逡逑放手术推向微创化。采用三维立体定位进行穿刺活检，在超声引导下将麦默通旋逡逑切刀沿腺体后方进入病变部位，，到达病变部位后对病变部位旋切取细胞进行活检，逡逑或将诊断为良性的乳腺肿瘤进行旋切切除，该系统为乳腺病灶的诊断带来新的方逡逑法和技术。麦默通微创系统因精准定位、一次切取标本量大、病理诊断准确和皮逡逑肤切口小等优点而获得广泛应用。逡逑媭逡逑图１．１邋Ｍａｍｍｏｔｏｍｅ微创系统逡逑２０１４年，美国斯坦福大学研究人员Ｔ．Ｋ．Ａｄｅｂａｒ和Ａ．Ｍ．Ｏｋａｍｕｒａ研发出了一逡逑款三维超声引导穿刺针转向机器人［１１１，如图１．２所示。利用卡尔曼滤波器对三维逡逑超声图像进行分割

超声图像,安克,穿刺活检,乳腺肿瘤

逑４！邋Ｉ逦＿＿逡逑图１．２三维超声引导穿刺针转向机器人逡逑国内对甲状腺、乳腺等浅表器官的自动穿刺活检技术研宄报道较少，国内研逡逑宄者大多关注于浅表器官不同穿刺活检方法对肿瘤细胞阳性检出率的影响程度，逡逑以及穿刺手术后并发症等相关方面的研宄。除此之外，随着机器人智能化以及ＡＩ逡逑技术的不断发展，国内研宄者取得了不少成果。逡逑２０１７年，浙江大学孔德兴团队研发出了一套甲状腺肿瘤超声辅助侦测系统：逡逑安克侦（ＡｍＣＡＤ－ＵＴ邋Ｄｅｃｔｉｏｎ）邋１｜３１，也是世界首个计算机辅助侦测系统，它能从逡逑超声图像中勾画出甲状腺结节边界，并根据甲状腺疾病的临床指标诊断甲状腺肿逡逑瘤的良恶性
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77

【参考文献】