基于医学图像的辅助精准穿刺机器人关键技术研究

发布时间：2020-08-03 05:30

【摘要】：经皮穿刺介入手术是传统开放性手术的重大变革,具有创伤小、手术并发症少和术后恢复快的特点。目前,经皮穿刺介入手术是在医学影像引导下进行的盲穿操作,手术效果过多的依赖医生的经验和技能,同时存在着穿刺病灶靶点和入针点定位不准、穿刺路径规划困难的问题,手术过程中需要对患者做多次医学图像扫描和调整穿刺的角度,存在医生劳动强度大、患者痛苦、辐照过多等问题。本文依托于江苏省科技厅重点研发计划项目“基于CT/MRI融合影像的穿刺机器人辅助骨转移癌痛微创治疗研究”,针对目前穿刺手术存在的问题,围绕基于医学图像的辅助精准穿刺机器人的关键技术展开,包括辅助穿刺机器人系统的构建、CT医学图像的处理、导航定位系统、穿刺路径规划、机器人智能控制算法及实验研究等内容。本文的研究工作主要集中在以下几个方面:第一,针对经皮穿刺介入手术的临床需求,研制了一套辅助精准穿刺机器人系统样机,并制定了基于医学图像的辅助精刺机器人系统的工作流程。经过一系列实验验证,样机平台能够满足穿刺中精准定位、稳定可靠、操作简单、节约时间的要求。第二,研究了医学图像的处理和可视化,设计完成了辅助精准穿刺机器人系统的操作软件,该软件界面友好、操作简便,且能够实时显示医学图像的任意层面成像和三维成像,便于医生观察分析医学图像和对穿刺机器人的控制。第三,研究了基于双目视觉的三维空间定位及配准方案,提出了医学图像坐标系到机器人工作空间坐标系的映射标定算法,解决了 CT图像到穿刺机器人手术空间配准的关键问题,精准识别患者皮肤标记点的空间坐标,将患者CT图像空间中的穿刺路径信息映射到辅助穿刺机器人手术空间中,从而实现了辅助精准定位的功能。第四,分析了六自由度串联机器人运动学和工作空间的特性,验证其构建辅助穿刺机器人引导精准穿刺操作的合理性。结合医学穿刺手术路径规划方案,改进粒子群优化BP神经网络的机器人智能控制算法,研究辅助精准穿刺机器人系统的空间轨迹规划,确保辅助穿刺机器人能以最佳姿态将末端引导器放置到皮肤入针点,辅助医生经设定的入针点和穿刺路径精准穿刺到手术靶点。最后,通过3D打印骨骼模型实验、活体动物实验和牛脊柱实验,验证辅助精准穿刺机器人精准定位方案的可行性。通过大量的实验研究,模拟临床穿刺手术实际操作过程,进一步验证辅助精准穿刺机器人的定位精度、安全性和稳定性;牛脊柱的穿刺实验,为将来人体脊柱穿刺手术积累了数据和经验。通过大量的实验验证和数据总结,为将来该辅助精准穿刺机器人系统的临床应用奠定基础。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TP242
【图文】：

骨科手术,机器人系统,机器人,天玑

国内对微创手术机器人的研宄起步较晚，但是经过多年的发展，也取得了较逡逑好的成绩。国内，由北京天智航医疗科技股份有限公司等单位联合推出了计算机逡逑辅助脊柱外科微创手术机器人——“天玑”骨科手术机器人（如图１．３所示），该逡逑机器人可用于股骨空心钉内固定、盆骨骶髂骨关节螺钉内固定等手术，该手术机逡逑器人系统己获得中国药监局批准临床使用。逡逑广■逡逑ａ幕逡逑图１．３邋“天玑”骨科手术机器人逡逑

辅助机器,脊柱,机器人,天玑

腹腔镜手术,微创

逦第１章绪论逦逡逑（２）腔镜类手术机器人逡逑腹腔镜类手术是与传统开放式手术截然不同的新型临床手术，通过在人体切逡逑开几个大于１厘米左右的切口，通过这些切口经过套管将外科手术工具和摄像头逡逑插入人体内部，通过观察摄像头成像，执行手术操作（如图１．４所示）。腹腔镜手逡逑术给临床手术治疗中显示出很强的优势。逡逑

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