用于微创介入手术的导管导向机器人研究

论文摘要

近年来,微创介入手术由于具有减少病人痛苦、降低并发症等优点而在血管疾病治疗中得到越来越广泛的关注。导管是血管疾病治疗过程中常用的微创介入手术工具之一。导管是一种细长的管状物,依赖于医生的技巧和经验,可以从腹股沟经由血管进入心脏或从手臂经由血管进入脑部。由于血管系统的复杂和狭小,在血管内操作类似于导管之类的血管手术工具十分困难。特别是医生要在患者体外用手扭转、推拉导管的一端,这种手工操作不仅粗鲁,而且效率低下,始自于体外的扭转操作只能在几英尺外的导丝远端产生很小的运动。而且,这些困难带来的后果不仅是手术时间的延长,还容易造成医生和患者的疲劳。针对血管介入手术中存在的上述问题,本文提出了在血管介入手术过程中利用微型导向机器人引导导管的方案,并进行了相关技术的研究。本文围绕导管导向机器人的结构和控制系统设计、SMA螺旋弹簧驱动器的力学特性分析、导管导向机器人设计计算方法、导管导向机器人运动学分析、样机研制和模拟介入手术实验等关键技术进行了深入的研究,成功地研制了微创介入手术用导管导向机器人。本文首先进行了导管导向机器人的结构和控制系统设计。根据血管微创介入手术的特点,详细分析了导管导向机器人的设计目标,进行了导管导向机器人结构方案的设计,然后设计了基于PIC16F877单片机的导管导向机器人电阻反馈控制系统,并采用模块化的程序设计思想,完成了电阻反馈控制系统的程序设计。其次,进行了SMA弹簧驱动器的力学特性分析。将Brinson静态拉伸相变本构模型进行修正,得到了适用于剪切变形的SMA相变本构关系,然后结合普通弹簧的理论公式,推导出了SMA弹簧的热力学特性公式,并通过实验进行了和仿真进行了分析,进而得到了SMA弹簧驱动器的设计计算公式。再次,进行了导管导向机器人的参数设计计算方法研究。针对目前没有系统的导管导向机器人设计计算方法的现状,详细推导了圆柱螺旋弹簧骨架的尺寸参数确定方法、SMA驱动器在已知导管导向机器人弯曲角度下的输出力和输出位移以及单节导管导向机器人的轴线弯曲曲线形状微分方程,最终建立了一套完整的导管导向机器人参数设计计算方法。本文还针对导管导向机器人没有明确关节和连杆的特点,进行了详细的运动学分析。在对导管导向机器人的SMA驱动器进行了运动学分析基础上,运用D-H法对单节导管导向机器人进行了平面运动学分析,进而运用D-H法进行了带有连接件的单节导管导向机器人的空间运动学分析。针对导管导向机器人是一种多节结构的特点,对导管导向机器人整体进行了运动学分析,得到了4节型导管导向机器人正运动学齐次变换矩阵。利用该运动学模型能够很容易地对含有任何节数的导管导向机器人进行运动学分析。最后进行了导管导向机器人样机研制和模拟介入手术实验。应用本文的设计计算方法研制了导管导向机器人样机,并对导管导向机器人进行转向性能实验和弯曲角度与PWM占空比的关系实验。在人体胸部血管模型中,在导向机器人的引导下,经由主动脉弓分别完成了进入左椎动脉和右颈总动脉的模拟介入手术过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 导管介入手术
• 1.2.1 微创介入手术介绍
• 1.2.2 血管介入手术工具
• 1.3 介入手术导管导向机器人技术
• 1.3.1 SMA驱动导管导向技术
• 1.3.2 绳索驱动导管导向技术
• 1.3.3 电聚合物人工肌肉驱动导管导向技术
• 1.3.4 液压驱动导管导向技术
• 1.3.5 磁力驱动导管导向技术
• 1.4 课题来源和研究目的及意义
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究的目的及意义
• 1.5 本论文研究的主要内容
• 第2章 导管导向机器人结构及控制系统设计
• 2.1 引言
• 2.2 设计目标
• 2.2.1 生理影响和生物相容性要求
• 2.2.2 安全性和可靠性要求
• 2.3 导管导向机器人结构设计
• 2.3.1 驱动器的选择
• 2.3.2 结构设计方案
• 2.4 导管导向机器人工作原理
• 2.4.1 单节工作原理
• 2.4.2 4 节工作原理
• 2.5 导管导向机器人控制系统硬件设计
• 2.5.1 常用SMA驱动方式
• 2.5.2 SMA反馈变量的选取
• 2.5.3 SMA驱动器热控制分析
• 2.5.4 导管导向机器人电阻反馈控制系统
• 2.5.5 导管导向机器人SMA驱动器的接线方式
• 2.5.6 加热电路
• 2.5.7 信号放大电路
• 2.5.8 有源低通滤波电路
• 2.5.9 模拟量输出偏移和增益整定电路
• 2.5.10 A/D转换电路
• 2.6 导向机器人电阻反馈控制系统软件设计
• 2.6.1 电阻反馈主程序
• 2.6.2 中断服务程序
• 2.7 本章小结
• 第3章 SMA螺旋弹簧的力学特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 SMA螺旋弹簧力学特性分析
• 3.2.1 Brinson模型
• 3.2.2 适用于剪切变形的SMA本构模型
• 3.2.3 SMA螺旋弹簧力学特性分析
• 3.3 NiTiCu特性实验
• 3.3.1 NiTiCu相变温度测试
• 3.3.2 NiTiCu弹簧的力与温度关系
• 3.3.3 实验结果与分析
• 3.4 SMA螺旋弹簧设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 导管导向机器人参数计算方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 设计指标
• 4.3 导管导向机器人静力学分析
• 4.3.1 基本假设
• 4.3.2 SMA驱动器的输出力
• 4.3.3 SMA驱动器的输出位移
• 4.3.4 单节导管导向机器人轴线方程
• 4.3.5 实验分析
• 4.4 导管导向机器人参数计算方法
• 4.4.1 整体直径和长度
• 4.4.2 骨架弹簧的参数
• 4.4.3 SMA驱动器参数
• 4.5 本章小结
• 第5章 导管导向机器人运动学分析
• 5.1 引言
• 5.2 单节导管导向机器人SMA驱动器运动学
• 5.2.1 已知SMA驱动器长度求解导向机器人弯曲曲率
• 5.2.2 已知导向机器人弯曲曲率求解SMA驱动器长度
• 5.3 单节导管导向机器人运动学分析
• 5.3.1 基本理论
• 5.3.2 平面曲线运动学
• 5.3.3 单节导向机器人平面运动学
• 5.3.4 带有连接件的单节导向机器人空间运动学
• 5.4 导管导向机器人正运动学
• 5.5 本章小结
• 第6章 样机研制及模拟介入手术实验
• 6.1 引言
• 6.2 导管导向机器人样机
• 6.3 导管导向机器人性能实验
• 6.3.1 电磁跟踪系统
• 6.3.2 导向机器人转向性能实验
• 6.3.3 导向机器人弯曲角度与占空比的关系实验
• 6.4 导管导向机器人模拟介入手术实验
• 6.4.1 实验动脉血管分支
• 6.4.2 人体动脉血管模型
• 6.4.3 经由主动脉弓进入左椎动脉
• 6.4.4 经由主动脉弓进入右颈总动脉
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历