导管导丝介入手术机器人系统的研究

论文摘要

微创血管介入手术已经成为当今医疗技术发展的一个重要方向,并逐渐被人们认可与接受。血管介入手术具有创口小,恢复快等优点,但是手术对医生的辐射较大,对手术的精准性和医生的技能也提出了较高的要求。机器人辅助医疗技术可使医生免受辐射、提高手术质量,目前,该技术已成为国内外学者的研究热点。本课题主要针对肿瘤的治疗,在查阅了大量相关文献的基础上,研制了被动式导管导丝介入手术机器人系统样机。该系统具有操作简单直观、安全可靠的优点,并对该系统的主从控制算法及整机的实验展开了相关研究。首先,分析了传统介入手术的流程,根据手术中医生的各种手法如推动回拉、旋捻等,在分析不同构型的基础上,完成了机器人系统总体样机的研制,设计了包含推送执行器、旋捻执行器、导管调整装置以及姿态调整装置的机器人系统。通过建立的机器人三维虚拟样机模型,分析了机器人的运动性能,并以满足介入手术操作要求为目标,对机器人结构外形尺寸进行了详细设计,使该机构具有结构简单、精巧、易于操作的优点。设计了以主从控制为核心,具有监测功能、人机交互功能的三层递阶结构的机器人控制系统。该系统上层为人机交互层,下层为驱动层,中间层为实现运动控制和主从控制算法的核心控制层。以完成介入手术既定操作为目的,使用Omega7主手设备实现主从控制,操作者可以在远端控制机器人完成手术。然后,研究了机器人的主从控制算法。根据机器人完成手术既定操作,对主从操作的运动控制过程进行规划。在分析主手的参数指标的基础上,根据主手的行程和精度,采用了基于随动控制模式的主从控制算法,该算法实时性好、稳定性高。配合键盘操作来实现导管导丝的16种运动情况。最后,以自制血管模型作为手术的介质,搭建了导管导丝介入手术实验系统,对本文设计的导管导丝介入手术机器人进行模拟实际手术实验验证,实验结果验证了机器人机械系统、控制系统是合理的,提出的主从控制算法是可行的,同时结果表明本文所研制的机器人系统可以成功将导管导丝送至假定的病灶部位,能够完成预期的介入手术功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题的研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 被动式介入手术机器人研究现状
• 1.2.2 主动式介入手术机器人研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 介入手术机器人机械系统设计
• 2.1 机器人功能要求分析
• 2.2 机器人系统总体设计
• 2.3 机器人机械系统设计
• 2.3.1 机器人推送执行器设计
• 2.3.2 机器人旋捻执行器设计
• 2.3.3 机器人导管调整装置设计
• 2.3.4 机器人位姿调整装置设计
• 2.4 机器人运动性能分析
• 2.4.1 推送执行器运动性能分析
• 2.4.2 旋捻执行器运动性能分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 机器人控制系统设计
• 3.1 机器人控制系统总体设计
• 3.2 控制系统硬件
• 3.2.1 动力元件分析
• 3.2.2 运动控制系统核心硬件功能分析
• 3.3 控制系统软件
• 3.3.1 机器人主从控制设计
• 3.3.2 机器人监测系统设计
• 3.3.3 人机交互界面设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于随动模式的主从控制算法研究
• 4.1 主从控制运动规划
• 4.2 主手主要参数分析
• 4.3 基于随动模式的主从控制算法研究
• 4.4 基于随动模式的主从控制算法实现
• 4.5 本章小结
• 第5章 导管导丝介入手术机器人系统实验研究
• 5.1 主手参数测试实验
• 5.2 主手和电机联调实验
• 5.3 机器人系统整体实验
• 5.3.1 实验平台搭建
• 5.3.2 导管导丝介入手术机器人实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢