肿瘤放疗辅助机器人中空间配准及安全控制策略技术研究

发布时间：2020-09-28 14:41

　　肿瘤疾病是医学界的难题,严重影响着患者的生活质量及家庭幸福,目前医学领域对于肿瘤的治疗还未探索出新的办法,依旧是传统切除肿瘤组织或放射性治疗,传统人工徒手实施放疗手术存在精度低且医生易被辐射的风险。因此研究一种高效安全的放射治疗方式是亟待解决的问题,把机器人引入肿瘤放疗手术中,通过光学导航定位系统、机器人路径规划及安全控制策略,从而使手术由机器人来替代实施,达到精准、安全、高效的目的。文本结合临床医生的手术经验,全面分析手术流程,根据手术需要建立肿瘤放疗辅助机器人系统,并提出机器人实施手术流程;对机器人运动特性进行分析,通过D-H法建立运动学模型,解算机器人正逆运动学方程,并使用Matlab Robotics Toolbox函数验证其正确性。结合光学导航定位系统,提出平面测量法、旋转法,和改进型平面旋转法三种机器人手术空间配准法,通过实验探究出改进型平面旋转法配准方式的优异性;随后对机器人安全控制策略进行研究分析,将手术空间按不同阶段划分成三部分,针对各部分特点制定不同控制策略。通过Simulink对系统进行建模仿真,并在经典阻抗控制理策略基础上引入二阶模糊控制策略,最终通过仿真验证其柔顺操作特性。通过模拟实验对本文构建的肿瘤放疗辅助机器人系统进行实验探究,验证该系统的稳定性和安全性。数据表明在模拟实验中该系统进针最大位置偏差为0.93mm,最大姿态偏移角度为0.93°,达到了医用可接受范围,证明本系统能够满足放疗手术的需要。
【学位单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R730.55;TP242
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章绪论
    1.1 课题来源
    1.2 课题研究背景及意义
    1.3 医疗手术机器人国内外研究概况
        1.3.1 国外微创手术机器人系统发展现状
        1.3.2 国内微创手术机器人系统发展现状
        1.3.3 国内外介入式穿刺外科手术机器人系统
    1.4 本文主要研究内容
第2章肿瘤放疗手术流程分析及系统构建
    2.1 肿瘤放疗辅助机器人手术系统设计要求
    2.2 肿瘤放疗辅助机器人的手术方案
        2.2.1 机器人手术流程分析
        2.2.2 机器人放疗手术运动规划
    2.3 肿瘤放疗辅助机器人手术系统构成
        2.3.1 六自由度串联机器人
        2.3.2 光学导航定位系统
        2.3.3 六维力传感器系统
        2.3.4 控制系统
    2.4 本章小结
第3章肿瘤放疗辅助机器人手术空间配准
    3.1 机器人运动学分析
        3.1.1 机器人坐标系建立
        3.1.2 机器人正运动学求解
        3.1.3 机器人逆运动学求解
        3.1.4 机器人运动学验证
    3.2 机器人手术空间配准
        3.2.1 平面测量法
        3.2.2 旋转配准法
        3.2.3 改进型自动直线旋转配准法
    3.3 手术空间配准检测验证
        3.3.1 手术空间配准验证方式
        3.3.2 手术空间配准结果分析
    3.4 本章小结
第4章肿瘤放疗辅助机器人安全控制策略研究
    4.1 安全控制策略
        4.1.1 手术空间区域划分
        4.1.2 基于SimMechanics的控制模型
    4.2 阻抗控制原理
        4.2.1 阻抗控制设计
        4.2.2 阻抗控制参数分析
    4.3 基于视觉导航系统的阻抗控制研究
        4.3.1 经典阻抗控制探究
        4.3.2 基于视觉的模糊自适应阻抗控制研究
    4.4 本章小结
第5章肿瘤放疗手术模拟实验研究
    5.1 机器人末端工具跟随测试
    5.2 肿瘤放疗辅助手术模拟实验
        5.2.1 手术条件及流程
        5.2.2 机器人手术结果分析
    5.3 本章小结
结论
参考文献
攻读学位期间取得的学术成果
致谢

【参考文献】