导航技术、机器人技术在超声引导肝肿瘤经皮热消融中的应用研究

论文摘要

近十余年来,影像引导下肝肿瘤的经皮热消融治疗迅速兴起,发展成为一种有效的肝癌微创治疗方法。消融针的精确植入是确保肝肿瘤适形消融的关键,当前消融针在植入时高度依赖手术医师的经验,受空间想象力等人为因素的限制,治疗中常因消融针布置不精确而导致残癌发生。为解决消融针精确穿刺这一难题,本研究从临床实际需求出发,结合超声引导经皮微波消融的技术特点,将导航技术和机器人技术与临床治疗相结合,设计了一套完整的基于磁定位的主动式机器人辅助穿刺系统,并利用该系统进行了系列实验。本文首先对人空间想象能力对肝肿瘤经皮热消融治疗的影响进行分析,通过琼脂糖牛肝模型评价了人空间布针的能力,结果表明人在穿刺具有图像参考信息的目标点如球心时具有较高的精度(定位误差约为3mm),但在穿刺缺乏图像参考信息的目标点时精度明显降低,多点布针针尖所形成的三角形边长相差较大,计算机热场模拟显示组合热场难以覆盖肿瘤模型。由于仅凭人的空间想象力难以保证精确的空间多点布针,有必要使用辅助技术提高穿刺的精度。基于上述实验结果,我们对导航和机器人辅助系统的相关技术进行分析,确定了超声引导经皮肝肿瘤消融治疗辅助机器人系统的技术路线,对系统的主要组成部分—三维超声重建、磁定位导航软件和机器人进行研发,完成了主动式机器人的结构设计和运动规划,确定了SCARA手臂联合RCM手腕的基本框架。通过设计标定模板,解决了超声与磁定位、机器人与磁定位坐标系的转换问题,将整套机器人系统有效整合,并分步对机器人系统的精度进行测试。水槽和牛肝实验结果表明机器人系统具有很高的定位精度,目标点的定位误差小于0.95mm。在肝肿瘤模型中,机器人空间多点布针能够稳定地形成形态较为理想的消融区,而单纯的导航下布针难以稳定获得形态理想的消融区。在上述研究基础上,我们将机器人系统应用于活体猪肝实验。受动物呼吸的影响,微波针与肝内目标点的定位误差较大(4.48±0.95mm)。我们分析了在临床实际治疗时影响机器人穿刺精度的因素,并对导航软件、机器人的结构设计提出了改进意见。本研究表明导航技术和机器人技术应用于超声引导下肝肿瘤的热消融治疗具有可行性和有效性。需要进一步对系统进行优化改进,以适应临床治疗的需要,将热消融治疗技术建立在更加科学、规范和可控的基础上。

论文目录

• 英文缩略词表
• 中文摘要
• 英文摘要
• 前言
• 第一章 人空间定位能力对肝肿瘤热消融治疗的影响分析
• 引言
• 实验一 图像方法评价穿刺精度的实验
• 实验二 人穿刺肝肿瘤模型中心的精度实验
• 实验三 人在肝肿瘤模型中多点布针精度的实验
• 本章小结
• 第二章 超声引导消融机器人辅助穿刺系统的分析与设计
• 引言
• 第一节 医用机器人系统概述
• 第二节 超声引导肝肿瘤消融机器人系统的工作流程
• 第三节 超声引导肝肿瘤消融机器人的设计
• 第四节 消融机器人系统的集成
• 第五节 消融机器人系统的精度测试
• 第三章 导航下穿刺与机器人辅助穿刺的对比研究
• 引言
• 导航下穿刺与机器人辅助穿刺空间布针能力的对比实验
• 本章小结
• 第四章 机器人辅助穿刺系统的动物实验研究
• 引言
• 机器人辅助穿刺系统的动物实验
• 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 第一节 总结
• 第二节 展望
• 参考文献
• 文献综述
• 攻读学位期间发表论文
• 致谢