影像引导经颅磁刺激机器人系统关键技术研究

发布时间：2020-05-19 13:30

【摘要】：经颅磁刺激技术是一种无创伤、无辐射的物理治疗形式,可用于治疗精神类、神经类疾病。在我国,人们对于精神类疾病的重视程度远低于器官性疾病,并且缺少专业的精神科医务人员。经颅磁刺激作为“二十一世纪四大脑科学技术”之一,在临床应用中存在诸多问题,制约了这项技术的临床推广和进一步发展。为了使经颅磁刺激治疗更精准、更稳定,减少主观经验因素的影响,降低操作人员的劳动强度,研发用于经颅磁刺激治疗的基于影像导航的机器人系统势在必行,这一课题在国内尚未解决。论文主要研究影像引导经颅磁刺激机器人系统的基础性和关键性技术,包括影像引导经颅磁刺激机器人实验系统的构建、头部MRI影像的分割和三维重建、患者实时头部与三维重建模型的配准技术、机器人系统的手眼标定技术、经颅磁刺激机器人的控制技术。论文介绍了基于影像引导经颅磁刺激机器人系统的实验平台组成,并介绍了系统的工作流程。论文中采用了工业上通用的轻型六关节机器人UR5作为经颅磁刺激机器人的本体,UR5具有柔性、人机同合、灵活等优点,非常适合医用环境。论文主要是对于志愿者头部MRI影像数据进行包含脑组织结构的头部三维重建。由于人体脑组织结构十分复杂、图像对比度低,很难进行图像自动分割,论文采用了Mimics19.0医学建模软件,人工干预图像分割,采用交互式的半自动分割方式,建立脑白质、脑灰质、脑实质、小脑、脑脊液、头皮和颅骨的蒙板。利用区域增长、3D磁性套索、布尔运算以及形态学运算对蒙板不断修正,反复优化,最后重建出包含脑组织结构的“五层球”头部模型。论文针对三维重建头部模型与患者实时头部配准问题,将三维头部模型转化成三维点云,利用PCA算法进行初始配准,之后采用ICP算法进行精确配准。基于matlab平台进行了点云配准实验,结果表明将PCA算法初始配准与ICP算法精确配准相结合能够达到头部配准精度要求。论文建立经颅磁刺激机器人的正向运动学和逆向运动学模型,基于ROS平台配置UR5的URDF文件,利用MoveIt!工具进行UR5的正向运动学、逆向运动学仿真。采用三次多项式插补法进行UR5关节空间的轨迹规划,在MoveIt!中完成了UR5的关节空间轨迹规划仿真、笛卡尔空间直线轨迹规划和圆弧轨迹规划,进行了UR5的自主避障实验仿真。论文进行了经颅磁刺激机器人系统的标定实验,包括基于ROS的Kinect的彩色相机和红外相机的标定、机器人末端工具的设计、基于ROS的经颅磁刺激机器人手眼标定实验,并进行了手眼标定结果的验证。论文研究了影像引导经颅磁刺激机器人系统的关键技术,为真正实现IRTMS治疗系统奠定了基础。
【学位授予单位】：北京石油化工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

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本文编号：2670958