本文選題：術(shù)中脊柱運動建模　切入點：噪聲處理　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年碩士論文

【摘要】：椎弓根內(nèi)固定術(shù)是最常見的脊柱手術(shù)術(shù)式,由于脊柱特殊的解剖結(jié)構(gòu),椎弓根內(nèi)固定術(shù)也是公認的風險最高、難度最大的外科手術(shù)之一。以此為背景,越來越多的研究著力推動輔助手術(shù)機器人在椎弓根釘內(nèi)固定術(shù)中的應(yīng)用。但是由于在手術(shù)過程中生理運動會引起脊柱位置準周期的微小起伏,兼之椎弓根安全區(qū)域狹窄、手術(shù)機器人剛度較大,使得脊柱輔助手術(shù)機器人系統(tǒng)在輔助醫(yī)生鉆釘?shù)肋^程中的安全性難以保證,阻礙了機器人手術(shù)系統(tǒng)在臨床上的應(yīng)用。本文在研究術(shù)中脊柱起伏原因的基礎(chǔ)上,提出基于潮氣量實時預測脊柱位置偏差的模型,并設(shè)計合理的主動補償方案。本文在參照傳統(tǒng)手術(shù)流程的基礎(chǔ)上,對機器人輔助手術(shù)的流程進行規(guī)劃,并量化分析了脊柱起伏對手術(shù)安全的影響。為了獲得生理信號數(shù)據(jù),基于Arduino UNO開發(fā)板、紅外跟蹤設(shè)備等搭建生理信號采集平臺,主要分為脊柱位置采集模塊和生理呼吸信號采集模塊,并分析在不同呼吸模式下(深呼吸模式與平靜呼吸模式)采集得到的數(shù)據(jù)特點。由于采集的過程中必然存在干擾,為了獲得更真實的信號,分別利用快速傅里葉變換與小波變換對脊柱在空間三個方向的運動信號進行處理。針對小波分析中小波基函數(shù)難以選擇的問題,我們引入均方差決策法,根據(jù)實際濾波效果挑選出最合適的小波基。由于直接導致脊柱位置變化的原因是胸腔的擴張與收縮,本文參考胸腔結(jié)構(gòu)建立雙橢圓模型,并以其交點代表脊柱位置。計算得到交點表達式后,利用粒子群優(yōu)化算法進行參數(shù)辨識,擬合的效果由決定系數(shù)(R2)定量給出。在研究3-PRS并聯(lián)平臺逆解的基礎(chǔ)上,用其模擬術(shù)中脊柱生理運動,并將新鮮豬板骨固定在并聯(lián)平臺上。同時使用脊柱手術(shù)機器人在豬板骨上進行鉆孔實驗,通過對比實驗分別獲得理想情況下(骨頭不動)、沒有補償情況下(骨頭動,手術(shù)機器人未補償該運動)與機器人主動補償情況下(骨頭動,手術(shù)機器人補償該運動)三種不同的鉆削力。通過對鉆削力進行單因素差方分析,得出機器人主動補償方案可以很好的消除脊柱生理運動對機器人輔助手術(shù)的影響。
[Abstract]:Pedicle internal fixation is the most common spinal surgery. Because of the special anatomical structure of the spine, pedicle internal fixation is also recognized as one of the most risky and most difficult surgical procedures.Against this background, more and more researches are focused on the application of assisted surgery robot in pedicle screw fixation.However, due to the slight fluctuation of quasi-cycle of spine position caused by physiological exercise during surgery, and the narrow safety area of pedicle, the rigidity of surgical robot is larger.It is difficult to guarantee the safety of spine assisted surgery robot system in the process of assisting doctors to drill the nail, which hinders the application of robot surgery system in clinic.Based on the study of the causes of intraoperative spine fluctuation, a real time prediction model of spine position deviation based on tidal volume is proposed, and a reasonable active compensation scheme is designed.Based on the traditional operation procedure, this paper plans the procedure of robot assisted surgery, and quantitatively analyzes the influence of spinal undulation on the operation safety.In order to obtain physiological signal data, a physiological signal acquisition platform is built based on Arduino UNO development board and infrared tracking equipment, which is mainly divided into spinal position acquisition module and physiological respiratory signal acquisition module.The characteristics of data collected in different breathing modes (deep breathing mode and calm breathing mode) were analyzed.In order to obtain more real signals, the fast Fourier transform (FFT) and wavelet transform (WT) are used to process the motion signals of spine in three directions.In order to solve the problem that wavelet basis function is difficult to select in wavelet analysis, we introduce mean-square decision method to select the most suitable wavelet basis according to the actual filtering effect.Due to the dilation and contraction of the thoracic cavity, a double elliptical model is established with reference to the structure of the thoracic cavity, and the position of the spine is represented by the intersection of the two elliptical models.After the intersection expression is obtained, the particle swarm optimization algorithm is used to identify the parameters, and the effect of fitting is quantitatively given by the determinant coefficient (R2).On the basis of studying the inverse solution of 3-PRS parallel platform, this paper simulates the physiological movement of the spine during operation, and immobilizes the fresh porcine plate bone on the parallel platform.At the same time, the spinal surgery robot was used to drill holes on the pig plate bone, and the ideal condition (bone immobility, no compensation) was obtained by contrast experiment.There are three different drilling forces between the operation robot without compensating the motion and the robot with active compensation (bone movement and surgical robot compensation for the motion).Through the single factor differential analysis of drilling force, it is concluded that the robot active compensation scheme can eliminate the effect of spinal physiological motion on robot assisted surgery.
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R687.3;TP242

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本文編號：1727716