本文選題：主從操作裝置　切入點：三維重建　出處：《鄭州大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：目前在治療心血管疾病的微創(chuàng)介入手術(shù)中,常結(jié)合手術(shù)輔助機器人系統(tǒng)來完成操作,以提高手術(shù)精度并降低醫(yī)生的工作強度。然而,目前多數(shù)手術(shù)輔助系統(tǒng)不具備介入導(dǎo)管的力覺信息反饋功能,即沒有實現(xiàn)醫(yī)生在手術(shù)外間通過主從操作技術(shù)來真正體驗到手術(shù)的臨場感。因此,設(shè)計具有力覺再現(xiàn)功能的導(dǎo)管操作系統(tǒng)成為該領(lǐng)域的主要研究方向。本課題針對主從操作機器人系統(tǒng)進行了研究,提出了主從操作裝置的力覺再現(xiàn)方案,并建立了由運動控制、主動控制及實際操作三個模塊組成的力覺再現(xiàn)系統(tǒng)。運動控制模塊是利用編碼器的脈沖信號實現(xiàn)從手操作機構(gòu)的導(dǎo)管介入運動。主動控制模塊是在模擬導(dǎo)管受力的基礎(chǔ)上,建立導(dǎo)管模擬力與主手阻尼力的匹配及控制方法;實際操作模塊是在建立的主手阻尼力與系統(tǒng)控制電流之間的函數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上,通過力傳感器實時檢測導(dǎo)管前端受力,以實現(xiàn)主手阻尼力的實時調(diào)整并為后續(xù)實驗積累數(shù)據(jù)。構(gòu)建精確的胸主動脈三維模型是實現(xiàn)分析導(dǎo)管受力情況的前提,本研究在類比多種醫(yī)學(xué)圖像處理算法后,采用了基于均值漂移和層次聚類的圖像分割算法(MSHC),實現(xiàn)了對胸主動脈彩色切片圖像的分割處理并完成了血管模型重建;利用ANSYS CFX有限元分析軟件對模型進行了瞬態(tài)血流模擬,獲得了所要研究的不同位置處血流速度,并得出導(dǎo)管在血管中無壁碰情況下的受力與其介入長度之間的函數(shù)方程;另外對不同壁碰角度進行了分析,分析結(jié)果為后續(xù)主手操作機構(gòu)的設(shè)計提供了參數(shù)依據(jù)。主手操作機構(gòu)為醫(yī)生提供阻尼力,可實現(xiàn)機構(gòu)中磁流變液阻尼力隨外加磁場變化而發(fā)生變化。基于此,建立了導(dǎo)管不同狀態(tài)下受力與主手阻尼力間的關(guān)系,完成了對主手操作機構(gòu)的幾何參數(shù)設(shè)計,同時對其磁路進行了數(shù)值計算并得到系統(tǒng)控制電流與主手阻尼力之間的函數(shù)關(guān)系。本研究完成了主從操作裝置實驗平臺的搭建并進行了相關(guān)實驗。結(jié)果表明,主手阻尼力的輸出效果與所設(shè)計的控制系統(tǒng)相符,較好地實現(xiàn)了力覺再現(xiàn)功能。
[Abstract]:At present, in the minimally invasive interventional surgery for cardiovascular diseases, the surgical assisted robot system is often used to complete the operation in order to improve the accuracy of the operation and reduce the work intensity of the doctor. However, At present, most surgical assistance systems do not have the force information feedback function of interventional catheters, that is, they do not realize that doctors can truly experience the operation's presence by master-slave operation technology outside the operation. It is the main research direction in this field to design a conduit operating system with force sense reproducing function. In this paper, the master-slave robot system is studied, and the force reproduction scheme of master-slave operation device is put forward, and the motion control is established. The motion control module uses the pulse signal of the encoder to realize the catheter intervention movement of the slave operation mechanism. The active control module is based on simulating the force of the conduit. The matching and control method between the simulated duct force and the main hand damping force is established, and the actual operation module is based on the functional relationship between the main hand damping force and the control current of the system, the force on the front end of the conduit is measured by force sensor in real time. In order to realize the real-time adjustment of the damping force of the master hand and accumulate data for the subsequent experiments, it is the premise to construct a precise three-dimensional model of thoracic aorta to analyze the stress of the catheter. The image segmentation algorithm based on mean shift and hierarchical clustering is used to segment the color slice image of thoracic aorta and to reconstruct the vascular model, and the transient blood flow is simulated by ANSYS CFX finite element analysis software. The blood flow velocities at different locations are obtained, and the functional equations between the force on the catheter and its interventional length under the condition of no wall impact in the vessel are obtained, and the different wall impact angles are also analyzed. The results provide a parameter basis for the subsequent design of the main hand operation mechanism. The main hand operation mechanism provides the doctor with damping force, which can realize the change of the magnetorheological fluid damping force in the mechanism with the change of the external magnetic field. The relationship between the force and the damping force of the main hand is established, and the geometric parameters of the main hand operating mechanism are designed. At the same time, the magnetic circuit is numerically calculated and the functional relationship between the control current and the damping force of the main hand is obtained. In this study, the experimental platform of the master-slave operating device is built and the related experiments are carried out. The results show that, The output effect of the main hand damping force is consistent with the designed control system.
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：R318;TP242

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本文編號：1648381