MRI导航微创外科机器人系统关键技术研究

admin · 发表于昨天 14:55

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MRI导航微创外科机器人系统包含括图像导航、微创外科手术和机器人三大先进技术，具有MRI的实时成像、无辐射、软组织分辨能力强，机器人高定位精度和微创手术创伤小的优点，降低了医生工作强度，提高医生的工作效率和手术治疗精度，减轻了病人的痛苦、减少了病人的住院时间和降低了手术费用，并有效克服了手术需要由经验丰富的医生操作的缺点，更重要的是手术方式对病人是安全和无辐射的。MRI引导微创外科机器人技术是近年来医疗机器人研究的一个热点，将会在脑外科、肝胆外科、肾外科、胸外科等一类软组织外科手术领域有着广阔应用前景。本文研究了MRI导航微创外科系统中的机器人技术，主要是机器人与磁共振之间兼容技术，通过开发具有MRI导航和手术定位功能的脑外科机器人系统，改进我国以CT为图像导航的脑外科手术手术方式，同时提高传统MRI导航脑外科手术方式的智能化水平，提高手术效率和精度。全文首先介绍了MRI导航微创外科机器人相关技术的发展现状，分析了手术的临床需求。提出了依磁场强度不同的MRI导航机器人外科手术系统结构及布置方式，介绍了相关组成模块。开发了5-DOF串并混联机器人系统，以模拟仿真及试验为试验验证工具，实现了MRI导航的微创外科机器人关键技术的研究。针对MRI导航手术的受限空间的操作环境特点，提出了机器人必须满足结构兼容性要求。基于此兼容性要求，提出了串联机构和并联机构相结合、主动控制的医疗机器人构型设计思想。以脑外科手术为对象，分析了MRI导航机器人手术的手术步骤，并计算出机器人的手术空间。根据所提出的构型，结合临床要求，对机器人进行开发设计，并利用有限元方法对重要的零部件的力学性能进行分析。基于多目标优化理论，建立基于操作灵活度和工作空间的优化目标函数，分析确定了并联部分（DELTA机构）的结构参数。最后通过仿真实验，验证机器人的兼容性要求。针对MRI导航手术的高磁场的环境特点，提出了机器人必须满足磁共振兼容性要求。针对机器人部件不同特点，将机器人部件分为电子、机械和电子机械部件三大类，设计了不同的测试方法。考虑到水模的信噪比与材料体积、材质以及与磁共振的距离有着很大的关系，设计了基于测试的磁共振兼容解决方法。为了解决基于测试的磁共振兼容解决方法的高开发成本和长的开发时间等缺点，提出基于有限元数值模拟的磁共振兼容解决方法，它可以作磁共振兼容设计的一个辅助方法。利用有限元技术，模拟仿真钛合金部件影响下磁共振主磁场的变化（均匀性），为材质选择提供指导。在构型、结构尺寸和材质确定后，为了更好地实现机器人控制，研究了机器人的运动学和动力学题目。基于结构构型的特点，将混联机器人分为串联部分和并联部分两部分，并单独进行运动学研究，最后进行综合求解和利用ADAMS进行正确性验证。针对并联机构，采用矢量法和几何法求解正运动学，采用矢量法求解逆运动学；针对串联机构，利用传统的D-H建模方法进行正、逆运动学的求解。在运动学方面，本章还利用ADAMS研究了系统的正运动学和典型操作逆运动学的特性；建立混联机器人雅可比矩阵，分析了DELTA机构的奇异性。在动力学方面，利用了ADAMS研究了机器人各关节最大驱动力矩和典型操作的动力学性能，确定了电机的力矩。为了实现MRI对机器人的实时引导，设计了特有的标定模型，研究了标定模型的标定。阐述了术前标定和术中跟踪原理，并分别建立标定数学模型和术中跟踪数学模型。最后进行术中实时引导模拟仿真。最后基于前面的研究工作，结合国内图像导航脑外科的需求展开实验研究。通过机器人磁共振兼容和定位精度实验，验证了本论文的理论研究方法和关键技术的有效性，为MRI导航微创外科机器人系统后续的动物实验及最后进入临床实验研究奠定了理论基础。

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