CT微创介入实时机器人导航系统研究

发布时间：2018-03-27 05:09

本文选题：手术机器人　切入点：导航　出处：《中国人民解放军医学院》2016年博士论文

【摘要】：近年来,CT引导下微创治疗技术迅速发展,在肿瘤治疗、脊柱及骨关节疾病治疗等领域广泛应用,其疗效好、创伤小、恢复快、费用低,显示出巨大的优势。在该技术应用过程中,最为关键步骤就是各种治疗器械的精准穿刺和适形布针。目前医生操作多为盲穿,高度依赖术者自身的经验和技巧,并且三维适形布针更是需要术者具有较高的空间想象能力,因此微创手术的精准性和有效性受到一定影响,易出现肿瘤消融不完全、并发症发生率增高等情况。目前临床上出现多种CT导航定位系统,旨在协助医生进行穿刺,具有一定的精准性,但也存在一定不足。因此本研究以临床需求为基础,结合CT引导微创治疗技术特点,将导航技术、机器人技术与临床治疗相结合,拟设计并研发一套CT微创介入实时机器人导航系统。CT微创介入实时机器人导航系统涉及定位技术、机器人技术、影像成像及重建技术及临床治疗技术等医工领域,必须根据临床需求做到引导精准、操作方便、使用安全等基本要求,其关键技术主要包括以下四个方面：(1)如何进行CT导航机器人系统平台构架设计。该系统平台涉及多种技术的选择、融合、优化,针对临床操作需求进行最佳的技术选择至关重要,通过优化集成能够提高导航机器人系统的效率；(2)导航机器人硬件系统的研发。硬件系统主要包括导航定位平台及穿刺机械臂系统两大部分,导航平台需具备较高精准度,穿刺机械臂系统需具备较高的灵活性及稳定性,此外两者合理的手术室布局结构搭配也非常关键；(3)导航操作软件及界面的设计和实现.主要分为导航子系统和控制子系统,导航子系统能够提供任意层面图像显示以供医生观察并实施引导穿刺,控制子系统能够精确控制机械臂位移和姿态,并具有较高的安全性；(4)生理运动的监测和补偿。主要针对人体呼吸运动及其他身体位移进行精准监测并补偿。本研究按照计划完成了以下工作：(1)首先针对磁定位、光学定位及机械臂定位三种系统进行临床应用对照实验,探讨各定位系统的优缺点,在此基础上根据临床需求进行CT导航机器人系统大体框架设计,确定了基于磁定位导航下机械臂穿刺系统的技术路线。(2)实现基于磁定位技术的穿刺手术机械臂及其控制系统主要模块的研发,包括电极控制模块、通讯模块、信号处理模块等。根据临床手术实际操作情况分析操作臂研发需求,设计并制作一个具有5自由度穿刺手术机械臂,经过局部验证实验、体模实验及动物实验,证明该系统具有较高的易用性和精准度。(3)实现导航机器人系统操作软件的设计和实现。经过体模及动物实验研究,操作界面友好便于医生掌握,能够实时提供任意层面成像,显示机械臂末端的位置,并且针对入针点、靶点的显示精确,并且能够针对治疗区域进行标识。(4)针对呼吸与人体运动检测和图像补偿应用进行研究。本研究导航系统通过检测体表基准点和穿刺器械位置提供实时导航系统,通过呼吸体模运动试验及人体呼吸测试记录研究找到运动规律周期性,根据系统呼吸门控模块及呼吸曲线进行呼气时相穿刺。本研究根据临床应用需求研发了一套基于磁定位技术的CT微创介入实时导航机器人系统,经过各项实验证明导航技术和机器人技术相互融合,能够提高微创介入手术的精准度和安全性,但该系统还需进一步优化改进,提升人机交互能力,使其更好的为临床服务。
[Abstract]:CT mini - invasive intervention real - time robot navigation system is based on the clinical need .
( 2 ) The research and development of the navigation robot hardware system . The hardware system mainly includes two parts of the navigation positioning platform and the puncture mechanical arm system , the navigation platform needs high precision , the puncture mechanical arm system needs high flexibility and stability , and the reasonable operation room layout structure collocation is also very key ;
( 3 ) The design and implementation of navigation operating software and interface are mainly divided into the navigation subsystem and control subsystem . The navigation subsystem can provide any level of image display for doctors to observe and guide puncture , and the control subsystem can accurately control the displacement and attitude of the robot arm , and has high safety ;
( 4 ) In order to provide real - time navigation system based on magnetic positioning , optical positioning and mechanical arm positioning , the research and development of mechanical arm puncture system based on magnetic positioning technology is carried out .

【学位授予单位】：中国人民解放军医学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R814.42

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