微創(chuàng)手術(shù)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)外科手術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。由于連續(xù)型機(jī)器人能夠在復(fù)雜窄小的體內(nèi)靈活操作,滿(mǎn)足微創(chuàng)手術(shù)的要求,所以備受研究者青睞。為了能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)體內(nèi)機(jī)器人,結(jié)合超聲無(wú)輻射,實(shí)時(shí)性好且相對(duì)便宜的優(yōu)勢(shì),引入超聲影像技術(shù)作為視覺(jué)反饋。本文提出一種基于二維截面超聲影像對(duì)兩類(lèi)連續(xù)型機(jī)器人進(jìn)行檢測(cè)的方法,一類(lèi)是無(wú)預(yù)測(cè)模型的連續(xù)型機(jī)器人,另一類(lèi)是有預(yù)測(cè)模型的連續(xù)型機(jī)器人。通過(guò)搭建光學(xué)機(jī)械臂超聲診斷系統(tǒng),準(zhǔn)確地對(duì)仿體內(nèi)的連續(xù)型機(jī)器人進(jìn)行空間定位。該系統(tǒng)能夠自主地采集數(shù)據(jù),通過(guò)超聲圖像處理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)連續(xù)型機(jī)器人的識(shí)別、定位和跟蹤,結(jié)合曲線擬合的方法,完成形狀重建和末端估計(jì)。根據(jù)現(xiàn)階段連續(xù)型機(jī)器人超聲圖像感知算法,利用金屬對(duì)超聲波的高敏感度以及上表面優(yōu)先反射致使上表面超聲圖像像素值較高的原理,提出了一種適用于小范圍精確定位的超聲圖像處理算法,即直方圖法。本文分別針對(duì)這兩類(lèi)機(jī)器人進(jìn)行了形狀重建和末端估計(jì)實(shí)驗(yàn),其中,穿刺針代表無(wú)預(yù)測(cè)模型的機(jī)器人,同心管代表有預(yù)測(cè)模型的機(jī)器人。在穿刺針的實(shí)驗(yàn)中,本課題利用二值化法完成機(jī)器人初步定位,然后使用卡爾曼濾波算法跟蹤連續(xù)型機(jī)器人,最后利用采集得到的數(shù)據(jù),使用... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

DaVinci機(jī)器人末端位置的信息在微創(chuàng)外科手術(shù)中有著十分重要的作用和意義

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文2015年，來(lái)自新澤西州立大學(xué)的AlvinChen和Medtronic公司的MaxBalter研發(fā)出了一種靜脈穿刺機(jī)器人，以減少人工靜脈穿刺的不確定性和失敗率[13]。如圖1-3所示，該機(jī)器人有7個(gè)自由度，搭配紅外線和超聲成像儀，能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)穿刺針在體內(nèi)的情況。這款機(jī)器人擁有三維的機(jī)架和四維的小型機(jī)械臂。機(jī)架可以顯示被檢測(cè)者前臂周?chē)撵o脈，而機(jī)械臂主要用于控制穿刺針在圖像引導(dǎo)下插入靜脈，完成藥物注射或者血液采樣。圖1-3靜脈穿刺機(jī)器人[13]其他連續(xù)型機(jī)器人，相較于穿刺針，末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而基本的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型仍然有研究的價(jià)值。波士頓大學(xué)的PatrickSears和PierreDupont提出了同心管連續(xù)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型（如圖1-4a)所示）[14,15]。隨后搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如圖1-4b)所示）[10]，他們利用之前提出的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以及PID控制算法，并對(duì)同心管機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)控制，驗(yàn)證了同心管機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)指出其逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型仍存在誤差。a)同心管機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[14]b)同心管機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[15]圖1-4同心管機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型建立有了初步成果之后，Webster[16]和RanXu[17]分別對(duì)同心管機(jī)器人的控制算法進(jìn)行了研究，提出了一個(gè)根據(jù)矯正雅克比方法去實(shí)現(xiàn)同心管機(jī)器人的位-4-

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文置控制的算法。在得到良好的控制算法之后，RRT[18]、RRT*[19]、RRM[20]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[21]等算法也逐步應(yīng)用在了同心管機(jī)器人的路徑規(guī)劃上，確保同心管在人體狹小腔道或體內(nèi)躲避障礙，減小對(duì)人體其他器官的傷害。1.3.1.2連續(xù)型機(jī)器人的跟蹤根據(jù)連續(xù)型機(jī)器人的特點(diǎn)，我們可以把它們分為兩種，一種是無(wú)法根據(jù)正運(yùn)動(dòng)學(xué)得到先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷�，如穿刺針機(jī)器人，另一種是可以根據(jù)正運(yùn)動(dòng)學(xué)推導(dǎo)出先驗(yàn)?zāi)Ｐ停缤墓軝C(jī)器人。在現(xiàn)有的醫(yī)療檢測(cè)條件下，能夠完成對(duì)連續(xù)型手術(shù)機(jī)器人感知的比較常見(jiàn)的檢測(cè)方式主要有CT、X光、MRI、磁定位和超聲掃描儀[22]。Lobaton團(tuán)隊(duì)提出了一種新的方法，在醫(yī)療過(guò)程中使用少量的x射線投影圖像連續(xù)準(zhǔn)確地重建機(jī)器人的形狀（如圖1-5所示）[23]。他們使用機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，從一組X射線圖像中提取的數(shù)據(jù)，建立形狀和時(shí)間的函數(shù)，同時(shí)利用先驗(yàn)知識(shí)和數(shù)值優(yōu)化的方法來(lái)選擇最佳的相機(jī)配置，從而最小化形狀估計(jì)的期望誤差。圖1-5Lobaton團(tuán)隊(duì)基于X射線圖像的連續(xù)型機(jī)器人的形狀重建[23]Vandini團(tuán)隊(duì)也使用X射線檢測(cè)并跟蹤同心管機(jī)器人在頭顱里的形狀[24]。他們提出了一種基于視覺(jué)的同心管機(jī)器人形狀感知算法。該算法將從標(biāo)準(zhǔn)成像模型(單平面X射線透視法)中提取的信息與同心管機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型融合在一起，在存在運(yùn)動(dòng)學(xué)噪聲和未建模的情況下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人形狀的自動(dòng)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和連續(xù)的估計(jì)（如圖1-6所示）。然而，基于超聲影像的連續(xù)型機(jī)器人的檢測(cè)在近幾年的研究中也很火熱。超-5-

【參考文獻(xiàn)】：
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