机器人辅助血管穿刺仿真研究

发布时间：2017-09-21 06:37

  本文关键词：机器人辅助血管穿刺仿真研究

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【摘要】：机器人辅助血管吻合手术较传统的血管吻合手术,具有操作稳定、精度高、能够实现更细微直径的血管吻合的优势,但是也存在手眼配合不协调、缺失触感信息等缺点。血管吻合最常用的方法是端-端间断式缝合法,包括持针、运针、穿刺及缝合等操作,血管穿刺是这种方法最基本的操作。外科医生使用机器人进行血管吻合手术之前需要进行大量的训练,传统的训练方法成本较高,为了降低训练成本、提高训练效果,本文对机器人辅助血管穿刺仿真的相关技术展开研究。采用非线性质点弹簧模型建立血管的变形模型。对非线性质点弹簧模型进行了改进,引入弹簧的弯曲力和弯曲力矩,推导了动力学方程。以改进的非线性质点弹簧模型为物理模型建立了两种不同拓扑结构的血管变形仿真模型,一种是单层方形拓扑结构血管模型,一种是单层菱形拓扑结构血管模型。对比分析了两种血管模型的力学响应特性。以虚拟血管模型的力学响应逼近真实的血管为目标,对血管变形仿真模型的参数进行优化。质点弹簧模型的缺点是模型的参数难以确定,对此,本文首先通过编程测试一部分参数配置是否能够使模型稳定,然后将这部分参数配置以及其是否适用于血管模型的结果作为训练集,使用高斯过程分类算法预测出能够使模型稳定的参数集,最后以血管模型的生物力学特性接近真实的血管为目标,使用高斯过程回归得到了血管模型的最优参数配置。研究了虚拟手术机器人执行机构主从运动方法,以及持针-穿刺血管的方法。将主操作手3个移动和3个旋转自由度全部映射到手术机器人执行机构末端,通过求解逆运动学确定执行机构的位置和姿态,实现主操作手和虚拟手术机器人末端执行机构的主从运动。将层次包围盒法用于机器人执行机构末端工具与手术针的碰撞检测,实现了执行机构的持针与运针。提出了自适应质点群算法,引入12个可移动质点,实现血管穿刺过程中手术针和血管模型之间的相互作用。搭建机器人辅助血管穿刺仿真实验平台进行实验研究。对虚拟手术机器人执行机构主从运动方法、持针穿刺血管方法进行仿真实验验证。为了增强手术训练场景的真实性提高医生手术过程中的沉浸感,将增强现实技术引入机器人辅助手术仿真中。融合了CHAI3D和ARTool Kit,实现两者之间的坐标系配准,最后进行了演示实验,验证了方法的有效性。
【关键词】：机器人辅助手术仿真 血管穿刺 高斯过程 增强现实 质点弹簧模型
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242;TP391.9;R54
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 课题的背景和意义11-12
• 1.2 机器人辅助手术训练系统国内外研究现状12-15
• 1.3 软组织建模方法国内外研究现状15-18
• 1.4 主要研究内容18-20
• 1.4.1 建立血管的变形模型19
• 1.4.2 面向血管生物力学特性的血管模型参数优化19
• 1.4.3 机器人辅助血管穿刺仿真及其增强现实技术研究19-20
• 第2章 基于非线性质点弹簧模型的血管建模20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 血管形变模型的建立20-26
• 2.2.1 血管模型的拓扑结构20-21
• 2.2.2 非线性质点弹簧阻尼模型21-23
• 2.2.3 血管几何模型的建立23-24
• 2.2.4 血管整体模型的建立24-26
• 2.3 血管模型的力学响应测试26-31
• 2.3.1 血管模型的重力响应测试26-27
• 2.3.2 质点力分配算法27-30
• 2.3.3 血管模型的外力响应测试30-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 面向血管模型生物力学特性的参数优化32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 血管的生物力学特性分析32-37
• 3.2.1 软组织生物力学特性32-33
• 3.2.2 血管模型轴向拉伸力学特性33-35
• 3.2.3 血管模型径向扩张力学特性35-37
• 3.3 高斯过程回归与高斯过程分类37-41
• 3.3.1 高斯过程的定义与构造37-39
• 3.3.2 训练集获取39-41
• 3.3.3 参数优化41
• 3.4 优化结果分析41-43
• 3.4.1 轴向拉伸力学特性优化结果分析41-42
• 3.4.2 径向扩张力学特性优化结果分析42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 机器人辅助血管穿刺仿真及增强现实技术研究44-63
• 4.1 引言44
• 4.2 仿真平台搭建44-46
• 4.2.1 硬件平台44-45
• 4.2.2 软件平台45-46
• 4.2.3 模型模块46
• 4.3 虚拟手术微器械运动学建模46-51
• 4.3.1 手术机器人简介47-48
• 4.3.2 持械臂正逆运动学48
• 4.3.3 手术机器人末端微器械导入虚拟环境48-50
• 4.3.4 主从运动实验验证50-51
• 4.4 机器人辅助血管穿刺技术实现51-58
• 4.4.1 自适应质点群算法51-53
• 4.4.2 虚拟环境中的微器械持针与运针方法53-54
• 4.4.3 机器人辅助血管穿刺技术54-56
• 4.4.4 机器人辅助血管穿刺实验验证56-58
• 4.5 机器人辅助手术训练的增强现实技术研究58-61
• 4.5.1 增强现实基本原理58-60
• 4.5.2 CHAI3D与ARTool Kit坐标系配准60-61
• 4.5.3 增强现实的软组织形变演示实验61
• 4.6 本章小结61-63
• 结论63-64
• 参考文献64-69
• 附录A 持械臂正逆运动学69-75
• A.1 持械臂正运动学69-72
• A.2 持械臂逆运动学72-75
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果75-77
• 致谢77

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本文编号：892971