介入手术中的机器人辅助导丝插入系统的设计与研究

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随着微创手术(Minimally Invasive Surgery, MIS)技术的发展,由于其操作相对简单、伤口小、患者痛苦小、术后恢复快、风险较小的特点迅速为医生、病人所接受,许多传统上需要进行开放式手术的治疗方案都转向了微创手术。为解决解放军第四五五医院用于肝脏肿瘤治疗的经导管动脉肝动脉化疗栓塞术(Transcatheter Arterial ChemoEmbolization, TACE)中存在的介入医生吸收较多辐射、操作时间较长等问题,进行了使用机器人辅助完成导丝插入操作的课题的研究。首先,详细分析了传统TACE手术的实施的全过程,并确定了使用机器人辅助需要完成的重点工作。其次,创新性地提出将激光鼠标传感器作为位移传感器,通过理论分析证明了使用其进行导丝位移测量的可行性。同时由于该传感器的高集成度、良好的检测性能以及低廉的价格,为线位移、角位移特别是需要同时测量上述二维位移的场合提供了一个低成本的方案。第三,在分析同类系统设计方案的基础上,提出了机器人辅助导丝插入系统的一种方案。使用激光鼠标传感器作为导丝位移测量传感器,使用摄像头视频作为反馈手段。完成了导丝位移测量装置、导丝插入装置以及控制器的机械设计、硬件设计等,并调试成功。第四,在设计完成的硬件的基础上,完成了系统的上、下位机软件设计。在Windows系统上编写程序实现了数据采集,摄像头图像采集任务,并解决了上、下位机数据传输的问题。下位机使用嵌入式系统,完成了嵌入式操作系统移植、数据通信和运动输出等程序的编写并调试成功。最后,完成了激光鼠标传感器性能和视频导航遥操作实验,并对结果了分析。实验结果表明,激光鼠标传感器可以用于导丝位移测量,并给出了该传感器的测量精度。视频导航实验验证了导丝位移测量装置、导丝插入执行装置以及视频导航软件协调工作的可行性,并找到了影响视频导航遥操作实验花费时间长短的重要因素,为进一步研究找到了方向。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-8页
第一章 绪论第11-22页
    1.1 医疗机器人介绍第11-16页
        1.1.1 外科手术机器人第12-13页
        1.1.2 康复和护理机器人第13-14页
        1.1.3 救援和转运机器人第14-15页
        1.1.4 微纳医疗机器人第15-16页
    1.2 机器人辅助微创外科手术系统第16-20页
        1.2.1 穿刺辅助手术机器人第16-17页
        1.2.2 导管插入辅助机器人第17-20页
    1.3 本论文的课题背景及研究内容第20-22页
        1.3.1 本论文的课题背景第20-21页
        1.3.2 本论文的研究内容第21-22页
第二章 机器人辅助导丝插入系统分析第22-33页
    2.1 传统介入手术操作过程介绍第22-24页
    2.2 机器人辅助导丝插入系统总体设计分析第24-31页
        2.2.1 导丝位移测量装置第25-26页
        2.2.2 导丝插入执行装置第26-28页
        2.2.3 力检测及力反馈装置第28-30页
        2.2.4 成像设备及图像处理装置第30-31页
    2.3 机器人辅助插丝系统操作过程第31-32页
    2.4 本章小结第32-33页
第三章 基于激光鼠标的导丝位移测量第33-45页
    3.1 基于数字图像处理的位移测量方法第33-34页
    3.2 光学鼠标的位移测量原理第34-36页
        3.2.1 普通光电鼠标的原理第34-35页
        3.2.2 激光鼠标的原理第35-36页
    3.3 激光鼠标传感器用于导丝运动检测第36-44页
        3.3.1 平面检测面上的运动第37-38页
        3.3.2 曲面检测面上的直线运动第38-39页
        3.3.3 曲面检测面上的旋转运动第39-41页
        3.3.4 考虑导丝的直径变化第41-42页
        3.3.5 应用LMS测量导丝位移第42-44页
    3.4 本章小结第44-45页
第四章 机器人辅助导丝插入系统设计第45-64页
    4.1 系统硬件设计第45-51页
        4.1.1 导丝位移测量装置设计第45-47页
        4.1.2 导丝插入执行装置设计第47-51页
    4.2 系统软件设计第51-63页
        4.2.1 系统软件框图第51-52页
        4.2.2 上位机软件设计第52-58页
        4.2.3 下位机软件设计第58-63页
    4.3 本章小结第63-64页
第五章 实验数据及分析第64-75页
    5.1 激光鼠标传感器性能实验第64-71页
        5.1.1 实验装置搭建第64-65页
        5.1.2 实验结果及数据分析第65-71页
    5.2 视频导航遥操作试验第71-74页
        5.2.1 实验装置搭建第72-73页
        5.2.2 实验结果及数据分析第73-74页
    5.3 本章小结第74-75页
第六章 总结与展望第75-77页
    6.1 研究课题总结第75-76页
    6.2 对未来的展望第76-77页
参考文献第77-80页
致谢第80-81页
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文第81页
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