本文關(guān)鍵詞：機(jī)器人輔助血管穿刺仿真研究

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【摘要】：機(jī)器人輔助血管吻合手術(shù)較傳統(tǒng)的血管吻合手術(shù),具有操作穩(wěn)定、精度高、能夠?qū)崿F(xiàn)更細(xì)微直徑的血管吻合的優(yōu)勢,但是也存在手眼配合不協(xié)調(diào)、缺失觸感信息等缺點(diǎn)。血管吻合最常用的方法是端-端間斷式縫合法,包括持針、運(yùn)針、穿刺及縫合等操作,血管穿刺是這種方法最基本的操作。外科醫(yī)生使用機(jī)器人進(jìn)行血管吻合手術(shù)之前需要進(jìn)行大量的訓(xùn)練,傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法成本較高,為了降低訓(xùn)練成本、提高訓(xùn)練效果,本文對機(jī)器人輔助血管穿刺仿真的相關(guān)技術(shù)展開研究。采用非線性質(zhì)點(diǎn)彈簧模型建立血管的變形模型。對非線性質(zhì)點(diǎn)彈簧模型進(jìn)行了改進(jìn),引入彈簧的彎曲力和彎曲力矩,推導(dǎo)了動力學(xué)方程。以改進(jìn)的非線性質(zhì)點(diǎn)彈簧模型為物理模型建立了兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的血管變形仿真模型,一種是單層方形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)血管模型,一種是單層菱形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)血管模型。對比分析了兩種血管模型的力學(xué)響應(yīng)特性。以虛擬血管模型的力學(xué)響應(yīng)逼近真實(shí)的血管為目標(biāo),對血管變形仿真模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的缺點(diǎn)是模型的參數(shù)難以確定,對此,本文首先通過編程測試一部分參數(shù)配置是否能夠使模型穩(wěn)定,然后將這部分參數(shù)配置以及其是否適用于血管模型的結(jié)果作為訓(xùn)練集,使用高斯過程分類算法預(yù)測出能夠使模型穩(wěn)定的參數(shù)集,最后以血管模型的生物力學(xué)特性接近真實(shí)的血管為目標(biāo),使用高斯過程回歸得到了血管模型的最優(yōu)參數(shù)配置。研究了虛擬手術(shù)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)主從運(yùn)動方法,以及持針-穿刺血管的方法。將主操作手3個(gè)移動和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度全部映射到手術(shù)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端,通過求解逆運(yùn)動學(xué)確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置和姿態(tài),實(shí)現(xiàn)主操作手和虛擬手術(shù)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主從運(yùn)動。將層次包圍盒法用于機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端工具與手術(shù)針的碰撞檢測,實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的持針與運(yùn)針。提出了自適應(yīng)質(zhì)點(diǎn)群算法,引入12個(gè)可移動質(zhì)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)血管穿刺過程中手術(shù)針和血管模型之間的相互作用。搭建機(jī)器人輔助血管穿刺仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。對虛擬手術(shù)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)主從運(yùn)動方法、持針穿刺血管方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了增強(qiáng)手術(shù)訓(xùn)練場景的真實(shí)性提高醫(yī)生手術(shù)過程中的沉浸感,將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入機(jī)器人輔助手術(shù)仿真中。融合了CHAI3D和ARTool Kit,實(shí)現(xiàn)兩者之間的坐標(biāo)系配準(zhǔn),最后進(jìn)行了演示實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了方法的有效性。
【關(guān)鍵詞】：機(jī)器人輔助手術(shù)仿真 血管穿刺 高斯過程 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) 質(zhì)點(diǎn)彈簧模型
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242;TP391.9;R54
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-20
• 1.1 課題的背景和意義11-12
• 1.2 機(jī)器人輔助手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.3 軟組織建模方法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-18
• 1.4 主要研究內(nèi)容18-20
• 1.4.1 建立血管的變形模型19
• 1.4.2 面向血管生物力學(xué)特性的血管模型參數(shù)優(yōu)化19
• 1.4.3 機(jī)器人輔助血管穿刺仿真及其增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究19-20
• 第2章 基于非線性質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的血管建模20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 血管形變模型的建立20-26
• 2.2.1 血管模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)20-21
• 2.2.2 非線性質(zhì)點(diǎn)彈簧阻尼模型21-23
• 2.2.3 血管幾何模型的建立23-24
• 2.2.4 血管整體模型的建立24-26
• 2.3 血管模型的力學(xué)響應(yīng)測試26-31
• 2.3.1 血管模型的重力響應(yīng)測試26-27
• 2.3.2 質(zhì)點(diǎn)力分配算法27-30
• 2.3.3 血管模型的外力響應(yīng)測試30-31
• 2.4 本章小結(jié)31-32
• 第3章 面向血管模型生物力學(xué)特性的參數(shù)優(yōu)化32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 血管的生物力學(xué)特性分析32-37
• 3.2.1 軟組織生物力學(xué)特性32-33
• 3.2.2 血管模型軸向拉伸力學(xué)特性33-35
• 3.2.3 血管模型徑向擴(kuò)張力學(xué)特性35-37
• 3.3 高斯過程回歸與高斯過程分類37-41
• 3.3.1 高斯過程的定義與構(gòu)造37-39
• 3.3.2 訓(xùn)練集獲取39-41
• 3.3.3 參數(shù)優(yōu)化41
• 3.4 優(yōu)化結(jié)果分析41-43
• 3.4.1 軸向拉伸力學(xué)特性優(yōu)化結(jié)果分析41-42
• 3.4.2 徑向擴(kuò)張力學(xué)特性優(yōu)化結(jié)果分析42-43
• 3.5 本章小結(jié)43-44
• 第4章 機(jī)器人輔助血管穿刺仿真及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究44-63
• 4.1 引言44
• 4.2 仿真平臺搭建44-46
• 4.2.1 硬件平臺44-45
• 4.2.2 軟件平臺45-46
• 4.2.3 模型模塊46
• 4.3 虛擬手術(shù)微器械運(yùn)動學(xué)建模46-51
• 4.3.1 手術(shù)機(jī)器人簡介47-48
• 4.3.2 持械臂正逆運(yùn)動學(xué)48
• 4.3.3 手術(shù)機(jī)器人末端微器械導(dǎo)入虛擬環(huán)境48-50
• 4.3.4 主從運(yùn)動實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證50-51
• 4.4 機(jī)器人輔助血管穿刺技術(shù)實(shí)現(xiàn)51-58
• 4.4.1 自適應(yīng)質(zhì)點(diǎn)群算法51-53
• 4.4.2 虛擬環(huán)境中的微器械持針與運(yùn)針方法53-54
• 4.4.3 機(jī)器人輔助血管穿刺技術(shù)54-56
• 4.4.4 機(jī)器人輔助血管穿刺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證56-58
• 4.5 機(jī)器人輔助手術(shù)訓(xùn)練的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究58-61
• 4.5.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)基本原理58-60
• 4.5.2 CHAI3D與ARTool Kit坐標(biāo)系配準(zhǔn)60-61
• 4.5.3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的軟組織形變演示實(shí)驗(yàn)61
• 4.6 本章小結(jié)61-63
• 結(jié)論63-64
• 參考文獻(xiàn)64-69
• 附錄A 持械臂正逆運(yùn)動學(xué)69-75
• A.1 持械臂正運(yùn)動學(xué)69-72
• A.2 持械臂逆運(yùn)動學(xué)72-75
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果75-77
• 致謝77

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