磁共振圖像向導的骨活檢手術機器人關鍵技術研究.pdf

1、骨活檢手術作為發(fā)展成熟的微創(chuàng)手術，在臨床診斷中發(fā)揮著重要的作用，尤其為很多可疑疾病提供一種全新的確診方法和研究途徑。傳統(tǒng)骨活檢手術主要依賴臨床醫(yī)生的經驗判斷手術切口位置和深度，不僅易導致手術失敗增加病人二次手術的痛苦，而且易導致人體某些關鍵部位醫(yī)療事故的發(fā)生。圖像向導的手術機器人技術結合醫(yī)學圖像、電子信息、機械工程、自動化、控制工程、圖像處理等學科的優(yōu)勢，具有定位準確、控制精度高和可視化程度高等優(yōu)點，可以輔助解決現(xiàn)代醫(yī)學中的一些難題，成

2、為目前國內外研究的熱點之一?；诠腔顧z手術的醫(yī)學診斷價值和磁共振成像的突出優(yōu)勢，本文提出將磁共振圖像向導手術機器人引入骨活檢手術，并對磁共振圖像向導骨活檢手術機器人的一些關鍵技術問題進行了較為深入的研究。論文主要完成以下研究內容。
　　研究了磁共振圖像向導手術機器人兼容性的兩個組成部分，即磁共振兼容性和結構兼容性。從磁共振基本原理、磁共振成像原理方面介紹了磁共振物理基礎，分析了材料順磁性與抗磁性對磁共振成像的影響，結合信噪比、空間

3、分辨力和對比度討論了評價磁共振圖像質量的方法。分析封閉式磁共振環(huán)境下機器人結構設計要求，通過優(yōu)化傳統(tǒng)手術操作解決了手術機器人結構兼容性技術問題。建立磁共振環(huán)境的等效模型，分析了金屬材料在靜磁場中的磁感線分布和磁場強度分布。通過仿真渦流場在不同相位時影響磁共振圖像質量的機理，為研究 MRI環(huán)境下手術機器人結構和手術工具的運動對磁共振圖像的影響提供分析方法。
　　提出一種穩(wěn)定性高和手術時間短的自動骨活檢樣本提取方法。根據(jù)手術針介入軟組

4、織過程力的組成因素建立了Neo-Hookean超彈性材料模型，研究了手術工具直徑、手術工具形狀、介入速度和約束方式對軟組織介入過程的影響。骨骼鉆削測試結果表明，自動骨骼鉆削在平均力與最大力的偏差、平均操作時間等方面較手動鉆削方式有顯著改善。通過研究旋轉速度、手術工具直徑對骨骼鉆削過程力的影響，為本文擬開發(fā)的骨活檢手術機器人確定最大旋轉速度、安全控制力提供了理論依據(jù)，解決了骨活檢手術機器人操作過程控制參數(shù)選擇問題。
　　提出磁共振圖

5、像向導骨活檢手術機器人手術過程安全控制方法。建立了生物組織的3D實體模型，研究了模型優(yōu)化、網(wǎng)格優(yōu)化和有限元分析內容。在通用LightSpeed64排螺旋掃描儀上獲取新鮮豬腿骨的CT圖像，保存為DICOM標準格式；借助Mimics工具實現(xiàn)豬大腿骨3D實體重建模；采用逆向工程軟件Geomagic Studio、基于優(yōu)化算法的光順法和智能Laplacian光順法優(yōu)化豬體大腿骨3D實體模型和網(wǎng)格；基于灰度值方法實現(xiàn)3D實體模型材料賦值；建立手術

6、工具模型，在Abaqus中完成骨骼介入過程的有限元分析。本文從減輕病人痛苦和防止骨骼斷裂等方面綜合考慮，確定了研究對象在骨骼介入階段的進給速度?；谏锝M織實體模型的有限元分析方法，解決了手術過程安全性控制技術問題。
　　提出基于 Flexiforce傳感器的力反饋控制系統(tǒng)設計方法。通過設計簡易和通用的Flexiforce傳感器固定裝置，完成在常規(guī)環(huán)境、磁共振環(huán)境下傳感裝置的標定和磁共振兼容性測試。測試結果表明，F(xiàn)lexiforc

7、e傳感裝置不僅具有良好的磁共振兼容性，而且在磁共振掃描儀工作時采取減震措施有效地改善振動引起的擾動，消除機械振動對力數(shù)據(jù)采集過程的影響。設計了以超聲波電機、Flexiforce傳感器、尼龍、鋁合金、銅合金等非鐵磁性材料組成的力反饋系統(tǒng)測試平臺。以新鮮動物軟組織為測試對象，完成Flexiforce傳感器力反饋系統(tǒng)和對照力反饋系統(tǒng)動態(tài)力測試性能對比研究。測試結果表明，在設定的介入深度范圍內，兩者的介入力曲線擬合度高達約95％，即基于Flex

8、iforce傳感器的力反饋系統(tǒng)可以用于運動狀態(tài)測試。該設計方法為開發(fā)骨活檢手術機器人解決了構建磁共振兼容的力反饋系統(tǒng)的技術難題。
　　提出提高超聲波電機磁共振兼容性的設計方案。采用歸一化信噪比計算方法對比分析安裝距離對磁共振兼容性的影響，確定了超聲波電機的安全距離。磁共振兼容性測試結果表明，超聲波電機USR30比USR60引起較少的磁共振干擾，增加超聲波電機數(shù)量會降低圖像質量，超聲波電機平行安裝方式比垂直安裝方式獲取更好的磁共振圖