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导管机器人系统的建立及其关键技术研究

作　者: 刘浩
导　师: 王树国；付宜利
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械工程
关键词: 血管微创介入手术插管弯形可控导管主从介入图像引导
分类号: TP242.3
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

血管微创介入手术具有出血少、创伤小、痛苦轻和术后恢复快等优点,在世界范围内已经获得了广泛的应用。但传统插管操作的三个基本环节所存在的缺点在很大程度上限制了这种手术的应用和发展:导管的可操控性能差,导致频繁的误操作和尝试性操作,使得插管的效率和成功率低,且易对血管造成损伤;医生位于手术现场实施手工操作的方式既使医生遭受辐射,又对操作技术提出很高的要求,且无法保证导管介入的稳定性和精确性;传统的2D X-ray引导图像既产生大量的辐射,又不利于医生分辨血管组织的3D解剖结构。针对上述这些缺点,本文提出了一种新型的导管机器人系统,由弯形可控导管、主从介入装置、电磁跟踪定位传感器和3D引导图像组成,具体内容如下:研究了两种弯形可控导管,分别是形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA)驱动导管和钢丝牵引导管。综合SMA的本构方程、导管的弯曲力学方程和传热方程建立了单和多SMA驱动导管的动力学模型,通过测试SMA导管样机的弯曲角度和温度,对SMA驱动机构固有的滞回特性进行了研究,从而验证了所建立动力学模型的有效性。研制了7Fr的单弯钢丝牵引导管及其专用手柄,其弯曲段的前后端各集成1个5DOF电磁传感器,远端还携带2个电极和1个热电偶。对导管前端集成双5DOF和单6DOF电磁传感器的远端形状进行正确的显示。采用主从控制方式来实施插管操作。研制了专用的导管输送机构和手柄操纵机构,在手术现场代替医生完成操作。输送机构能够实现对导管的推/拉和扭转操作,其中扭转操作是通过对2个电机的运动合成来实现,避免了电机整体旋转。手柄操纵机构能够对手柄滑套实施推/拉操作,使得导管远端弯曲和恢复,以及对手柄实施推/拉和扭转操作。对导管和输送机构进行了运动学分析,将柔性的导管用刚性的杆和关节进行表示,采用D-H法建立了运动学模型,获得了导管端部的工作空间。使用3DOF手柄实现主从操作。输送机构的主摩擦轮上设置有2组触力传感器,可以将输送过程中所受到的阻力进行反馈,并对手柄的力反馈进行设置,以增强介入操作的真实感。开发了用于辅助介入操作的3D图像引导软件,采用四个视图帮助医生确定导管和血管的空间位置关系。首先在对2D的切片数据进行3D重建的基础上,利用广义势场的方法对血管模型的中心线进行了提取。在中心线上手工拾取起始点和靶点,生成导航路径,采用Cardinal三次样条曲线进行平滑。以导航路径为依据对虚拟相机的参数进行设置,实现漫游导航。采用方向包围盒方法实现了导管端部与血管模型的实时碰撞检测,并提供导管端部与血管壁的距离信息。通过预配准和精确配准两个步骤实现图像坐标系与传感器坐标系的映射。利用研制的单弯钢丝牵引导管、主从输送装置和引导图像构建了导管机器人系统。对单弯钢丝牵引导管及输送装置的性能进行了测试。在血管模型中成功地实施了多次插管操作验证了所构建导管机器人系统的可行性和有效性。通过对2D和3D图像引导手工和手柄操作插管所需的操作时间及成败进行比较,对系统的性能进行了定量的分析。利用实际介入过程中导管与血管壁面接触时,引导图像上导管端部与血管壁的距离作为评价指标对所开发的导航系统进行了精度评估。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-14
第1章绪论  14-32
  1.1 课题的背景、目的及意义  14-16
  1.2 导管机器人技术  16-25
    1.2.1 SMA驱动导管  16-20
    1.2.2 钢丝牵引导管  20-21
    1.2.3 磁导管  21-23
    1.2.4 EAP驱动导管  23
    1.2.5 液压驱动导管  23-25
  1.3 导管输送技术  25-28
    1.3.1 推拉操作  26-28
    1.3.2 旋转操作  28
  1.4 图像引导技术  28-30
    1.4.1 3D-X射线图像  28-29
    1.4.2 CT/MR图像与X射线图像融合  29
    1.4.3 3D超声图像  29-30
  1.5 本文的主要研究内容  30-32
第2章导管机器人系统的构建  32-41
  2.1 功能分析  32-33
  2.2 系统组成  33-37
    2.2.1 可操控导管  33-34
    2.2.2 导管介入装置  34-35
    2.2.3 3D引导图像  35
    2.2.4 电磁位姿跟踪传感器  35-37
    2.2.5 操作手柄  37
  2.3 技术指标  37
  2.4 坐标系配准  37-40
    2.4.1 初步配准  38-39
    2.4.2 精确配准  39-40
  2.5 本章小结  40-41
第3章导管的主动导向技术  41-65
  3.1 SMA驱动导管  41-59
    3.1.1 SMA驱动器的本构模型  41-45
    3.1.2 单自由度SMA驱动导管的模型  45-50
    3.1.3 两自由度SMA驱动导管的模型  50-53
    3.1.4 实验验证  53-59
  3.2 钢丝牵引导管  59-63
    3.2.1 导管结构  59-60
    3.2.2 牵引力  60-61
    3.2.3 导管手柄  61-62
    3.2.4 圆弧弯形的验证  62-63
  3.3 导管在系统中集成的分析  63-64
  3.4 本章小结  64-65
第4章导管的主从介入技术  65-77
  4.1 导管输送装置  65-67
  4.2 导管手柄的操纵装置  67-70
    4.2.1 行星差动式  67-69
    4.2.2 弯扭分离式  69-70
  4.3 运动学分析  70-73
  4.4 输送力反馈  73-74
  4.5 主从操作  74-76
  4.6 本章小结  76-77
第5章介入操作的图像引导技术  77-97
  5.1 导航路径规划  77-84
    5.1.1 广义势场法中心线提取  77-81
    5.1.2 导航路径  81-83
    5.1.3 辅助引导信息  83-84
  5.2 漫游导航  84-85
  5.3 碰撞检测  85-90
    5.3.1 AABB的构建  86-87
    5.3.2 AABB的相交测试  87
    5.3.3 基本几何元素的相交测试  87-89
    5.3.4 层次包围盒树的更新  89-90
  5.4 导管远端弯形显示  90-96
    5.4.1 传感器位姿显示  90-92
    5.4.2 弯曲段形状显示  92-96
  5.5 本章小结  96-97
第6章系统集成与实验验证  97-113
  6.1 系统集成  97-99
    6.1.1 硬件设备  97
    6.1.2 图像引导软件平台  97-99
  6.2 导管及输送装置性能测试  99-107
    6.2.1 弯曲实验  100-101
    6.2.2 输送实验  101-103
    6.2.3 扭转实验  103-106
    6.2.4 力反馈实验  106-107
  6.3 插管实验  107-111
  6.4 导航精度评估  111-112
  6.5 本章小结  112-113
结论  113-115
参考文献  115-122
攻读学位期间发表的学术论文  122-124
致谢  124-125
个人简历  125

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