【摘要】：隨著機器人技術和計算機影像學技術的發(fā)展,微創(chuàng)手術也取得了巨大進步,并越來越多地應用于臨床治療。然而現(xiàn)有的主動式前列腺介入機器人由于其系統(tǒng)復雜、成本高、使用培訓時間較長,推廣應用較為困難。鑒于此,本文設計了一種被動式經(jīng)直腸超聲探頭位姿調(diào)整機構,用以輔助醫(yī)生完成前列腺穿刺手術,進而實現(xiàn)前列腺癌的診斷,該機構可以有效地提高手術效率、手術精度和手術安全性,而且能減少患者的痛苦并降低應用成本和醫(yī)生的勞動強度。本文分析了超聲引導下經(jīng)直腸前列腺活檢手術流程,并以此為基礎提出了超聲探頭位姿調(diào)整機構的設計準則;利用矛盾矩陣和發(fā)明原理設計了可以實現(xiàn)四個關節(jié)同時鎖緊的位置調(diào)整模塊,使用序列二次規(guī)劃算法對其連桿尺寸進行優(yōu)化,得到了滿足手術需求工作空間下的最優(yōu)尺寸;采用雙平行四邊形遠心機構設計了能夠使超聲探頭實現(xiàn)定心功能的姿態(tài)調(diào)整模塊,防止手術過稱中超聲探頭的徑向躥動;采用C型結構設計的超聲探頭自轉(zhuǎn)及進給模塊,便于安裝超聲探頭和穿刺架,避免發(fā)生干涉,6個獨立分布的橡膠塊可以實現(xiàn)對不規(guī)則形狀的超聲探頭的夾緊。利用Matlab對機構的可達工作空間進行求解,得到了該工作空間和手術需求工作空間的對應位置關系,結果表明機構的可達工作空間可以滿足手術要求;對超聲探頭在不同進給距離下調(diào)整姿態(tài)時的定心效果進行仿真,結果表明超聲探頭定心穩(wěn)定;利用ANSYS在自重及干擾載荷下對機構在最遠端和最近端的兩種位姿分別進行剛度和強度分析,結果表明機構的整體變形滿足手術要求,最大等效應力遠小于材料許用應力,驗證了機構的安全性。研制了被動式經(jīng)直腸超聲探頭位姿調(diào)整機構的物理樣機,對各個關節(jié)的連續(xù)運動范圍、鎖緊力以及關節(jié)在放松狀態(tài)下所需的驅(qū)動力進行了測量,驗證了該機構可以靈活到達手術需求工作空間任意位置的使用性能,且鎖緊定位可靠;對機構在自重情況下處于不同姿態(tài)時的靜剛度進行了測量,得到了遠心點在機構鎖緊狀態(tài)下由于自重變形相對于理論坐標點發(fā)生的位移,結果表明該位移量可以滿足手術要求,并為醫(yī)生操作機構時的誤差補償提供依據(jù);測量了實際手術操作中調(diào)整超聲探頭姿態(tài)時遠心點的定心效果,得到了遠心點在空間中的位移范圍,結果表明超聲探頭的定心效果穩(wěn)定,所設計的被動式經(jīng)直腸超聲探頭位姿調(diào)整機構可滿足手術要求。
【學位授予單位】：哈爾濱理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP242;TB559
【圖文】：

圖 1-1 前列腺粒子植入機器人系統(tǒng)Fig. 1-1 Prostatic seeds implantation robot system美國工程研究中心和 Johns Hopkins 大學合作開發(fā)了一種包含超聲圖像導和 TPS 的機器人系統(tǒng)，如圖 1-2 所示。該系統(tǒng)的最大特點是把一個小型四自度并聯(lián)機器人安裝在超聲探頭正上方，使并聯(lián)機器人和超聲探頭調(diào)整機構的[7, 8]

圖 1-2 包含 US 導航和 TPS 的機器人系統(tǒng)Fig. 1-2 A robot system with US navigation and TPS

【參考文獻】

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1 趙磊;吳長君;;前列腺及其周圍組織超聲解剖的研究進展[J];哈爾濱醫(yī)科大學學報;2015年02期

2 馬志方;;如何早期發(fā)現(xiàn)前列腺癌[J];健康向?qū)?2015年02期

3 王朝斌;鄧琛;張琴舜;丁大民;;新型外科手術機器人(AOBO)機構設計及運動學分析[J];輕工機械;2015年01期

4 侯雨雷;王嫦美;胡鑫U

本文編號：2722456