腫瘤穿刺中基于UR機器人控制方法的研究
發布時間：2021-06-21 17:45:56 作者：顯揚科技
腫瘤的穿刺在腫瘤微創介入治療中起到重要作用，穿刺的精度直接影響后續手術的效果。目前臨床中的穿刺操作一般由醫生手動進行或者在引導設備的幫助下進行，暫時沒有能輔助醫生完成穿刺動作實施的設備。這一方面導致了手術效果高度依賴于醫生的經驗及患者的配合程度、精度穩定性低，難以達到例如對布針平行性要求很高的納米刀等介入療法的要求；另一方面增加了醫生的疲勞度，同時也增加了患者所受輻射傷害的程度。為了彌補現有手動實施穿刺的不足，需設計一種高自動化的設備在醫生的控制下實施準確的進針操作。
為此，本文利用機器人高精度的線性運動，結合光學導航裝置的實時跟蹤、軟件規劃模塊的穿刺方案，構建了機器人輔助系統，輔助醫生完成腫瘤穿刺。為了完成穿刺動作的實施，需解決現有機械臂末端夾持器不能穩固夾持穿刺針等問題。為了貫通光學導航定位裝置、機械臂及穿刺針，還需實現三者之間的手眼標定、工具-法蘭標定的問題。
在此基礎上，需完成系統內部不同坐標系間的坐標換算，得到穿刺入口點、靶點及角度指令，最終控制機器人完成腫瘤穿刺的進針動作。
本文針對以上問題，完成了相應研究內容：
（1）構建了機器人輔助腫瘤穿刺系統。采用參數合適的UR10機器人，結合光學導航定位裝置、設計的新型夾持器以及穿刺針構成了系統硬件平臺。系統軟件平臺主體由穿刺路徑規劃模塊構成，結合術前影像與導航裝置的跟蹤定位，完成手術路徑的規劃。將規劃結果輸入到機器人模塊結合坐標換算關系得到控制指令。最終通過頭模等實驗證實了本系統的有效性。
（2）研究了適于臨床使用的快速標定方法。基于羅德里格斯旋轉公式和矩陣偽逆計算這兩個基礎的矩陣計算方法，提出了一種實用性高的基于三回路計算的標定方法，可實現本系統的手眼標定及工具-法蘭標定。最后仿真和實際實驗結果表明，該方法通過13 個位姿數據即可完成誤差穩定在5 毫米以內的手眼標定及工具-法蘭標定。在達到高精度的同時可基于較少的數據量完成標定，適用于臨床高精度、快速標定的應用需求。
（3）研究機器人的穿刺控制方法。基于標定結果，計算出了系統各坐標系間的未知變換矩陣，將光學導航定位裝置坐標系下的坐標轉換到機器人基座坐標系下，得到入口點、靶點，進一步得到穿刺針擺位角度。最終通過點精度、直線及圓軌跡控制精度誤差實驗表明，本系統的控制精度誤差在5 毫米以下。
本文設計了一種用于經皮穿刺的手術機器人末端通用夾持器，利用機器人的線性運動，可以完成穿刺動作的實施。基于機械臂，結合光學導航定位裝置構建了用于腫瘤穿刺的機器人系統。提出了一種基于三回路計算的標定方法，基于少量數據及基礎算法即可完成高精度的手眼標定及工具-法蘭標定。解決了控制參數換算及機器人線性穿刺控制的問題。最終通過實驗驗證了本文所構建的輔助穿刺機器人能有效減少穿刺手術的準備時間，能完成穿刺動作的精準實施，減輕了醫生負擔、減小了對患者的輻射傷害、降低了穿刺手術并發癥的危險性，適于臨床穿刺手術的應用，有較好的應用前景。
備注：本文出華南理工大學材料科學與工程學院生物醫學工程 張哲思 碩士學位論文《腫瘤穿刺中機器人控制方法的研究》如有侵權，請聯系我們刪除。
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