本文關鍵詞：機器人輔助血管穿刺仿真研究

  更多相關文章： 機器人輔助手術仿真 血管穿刺 高斯過程 增強現(xiàn)實 質點彈簧模型

【摘要】：機器人輔助血管吻合手術較傳統(tǒng)的血管吻合手術,具有操作穩(wěn)定、精度高、能夠實現(xiàn)更細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。血管吻合最常用的方法是端-端間斷式縫合法,包括持針、運針、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)生使用機器人進行血管吻合手術之前需要進行大量的訓練,傳統(tǒng)的訓練方法成本較高,為了降低訓練成本、提高訓練效果,本文對機器人輔助血管穿刺仿真的相關技術展開研究。采用非線性質點彈簧模型建立血管的變形模型。對非線性質點彈簧模型進行了改進,引入彈簧的彎曲力和彎曲力矩,推導了動力學方程。以改進的非線性質點彈簧模型為物理模型建立了兩種不同拓撲結構的血管變形仿真模型,一種是單層方形拓撲結構血管模型,一種是單層菱形拓撲結構血管模型。對比分析了兩種血管模型的力學響應特性。以虛擬血管模型的力學響應逼近真實的血管為目標,對血管變形仿真模型的參數(shù)進行優(yōu)化。質點彈簧模型的缺點是模型的參數(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果作為訓練集,使用高斯過程分類算法預測出能夠使模型穩(wěn)定的參數(shù)集,最后以血管模型的生物力學特性接近真實的血管為目標,使用高斯過程回歸得到了血管模型的最優(yōu)參數(shù)配置。研究了虛擬手術機器人執(zhí)行機構主從運動方法,以及持針-穿刺血管的方法。將主操作手3個移動和3個旋轉自由度全部映射到手術機器人執(zhí)行機構末端,通過求解逆運動學確定執(zhí)行機構的位置和姿態(tài),實現(xiàn)主操作手和虛擬手術機器人末端執(zhí)行機構的主從運動。將層次包圍盒法用于機器人執(zhí)行機構末端工具與手術針的碰撞檢測,實現(xiàn)了執(zhí)行機構的持針與運針。提出了自適應質點群算法,引入12個可移動質點,實現(xiàn)血管穿刺過程中手術針和血管模型之間的相互作用。搭建機器人輔助血管穿刺仿真實驗平臺進行實驗研究。對虛擬手術機器人執(zhí)行機構主從運動方法、持針穿刺血管方法進行仿真實驗驗證。為了增強手術訓練場景的真實性提高醫(yī)生手術過程中的沉浸感,將增強現(xiàn)實技術引入機器人輔助手術仿真中。融合了CHAI3D和ARTool Kit,實現(xiàn)兩者之間的坐標系配準,最后進行了演示實驗,驗證了方法的有效性。
【關鍵詞】：機器人輔助手術仿真 血管穿刺 高斯過程 增強現(xiàn)實 質點彈簧模型
【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】：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 機器人輔助手術訓練系統(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 面向血管生物力學特性的血管模型參數(shù)優(yōu)化19
• 1.4.3 機器人輔助血管穿刺仿真及其增強現(xiàn)實技術研究19-20
• 第2章 基于非線性質點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 血管模型的拓撲結構20-21
• 2.2.2 非線性質點彈簧阻尼模型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 血管模型的力學響應測試26-31
• 2.3.1 血管模型的重力響應測試26-27
• 2.3.2 質點力分配算法27-30
• 2.3.3 血管模型的外力響應測試30-31
• 2.4 本章小結31-32
• 第3章 面向血管模型生物力學特性的參數(shù)優(yōu)化32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 血管的生物力學特性分析32-37
• 3.2.1 軟組織生物力學特性32-33
• 3.2.2 血管模型軸向拉伸力學特性33-35
• 3.2.3 血管模型徑向擴張力學特性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造37-39
• 3.3.2 訓練集獲取39-41
• 3.3.3 參數(shù)優(yōu)化41
• 3.4 優(yōu)化結果分析41-43
• 3.4.1 軸向拉伸力學特性優(yōu)化結果分析41-42
• 3.4.2 徑向擴張力學特性優(yōu)化結果分析42-43
• 3.5 本章小結43-44
• 第4章 機器人輔助血管穿刺仿真及增強現(xiàn)實技術研究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 虛擬手術微器械運動學建模46-51
• 4.3.1 手術機器人簡介47-48
• 4.3.2 持械臂正逆運動學48
• 4.3.3 手術機器人末端微器械導入虛擬環(huán)境48-50
• 4.3.4 主從運動實驗驗證50-51
• 4.4 機器人輔助血管穿刺技術實現(xiàn)51-58
• 4.4.1 自適應質點群算法51-53
• 4.4.2 虛擬環(huán)境中的微器械持針與運針方法53-54
• 4.4.3 機器人輔助血管穿刺技術54-56
• 4.4.4 機器人輔助血管穿刺實驗驗證56-58
• 4.5 機器人輔助手術訓練的增強現(xiàn)實技術研究58-61
• 4.5.1 增強現(xiàn)實基本原理58-60
• 4.5.2 CHAI3D與ARTool Kit坐標系配準60-61
• 4.5.3 增強現(xiàn)實的軟組織形變演示實驗61
• 4.6 本章小結61-63
• 結論63-64
• 參考文獻64-69
• 附錄A 持械臂正逆運動學69-75
• A.1 持械臂正運動學69-72
• A.2 持械臂逆運動學72-75
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及其他成果75-77
• 致謝77

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