導管機器人系統(tǒng)的建立及其關鍵技術的研究.pdf

1、血管微創(chuàng)介入手術具有出血少、創(chuàng)傷小、痛苦輕和術后恢復快等優(yōu)點，在世界范圍內已經(jīng)獲得了廣泛的應用。但傳統(tǒng)插管操作的三個基本環(huán)節(jié)所存在的缺點在很大程度上限制了這種手術的應用和發(fā)展：導管的可操控性能差，導致頻繁的誤操作和嘗試性操作，使得插管的效率和成功率低，且易對血管造成損傷；醫(yī)生位于手術現(xiàn)場實施手工操作的方式既使醫(yī)生遭受輻射，又對操作技術提出很高的要求，且無法保證導管介入的穩(wěn)定性和精確性；傳統(tǒng)的2D X-ray引導圖像既產(chǎn)生大量的輻射，又不

2、利于醫(yī)生分辨血管組織的3D解剖結構。針對上述這些缺點，本文提出了一種新型的導管機器人系統(tǒng)，由彎形可控導管、主從介入裝置、電磁跟蹤定位傳感器和3D引導圖像組成，具體內容如下：
　　研究了兩種彎形可控導管，分別是形狀記憶合金(Shape Memory Alloy, SMA)驅動導管和鋼絲牽引導管。綜合 SMA的本構方程、導管的彎曲力學方程和傳熱方程建立了單和多 SMA驅動導管的動力學模型，通過測試 SMA導管樣機的彎曲角度和溫度，對

3、SMA驅動機構固有的滯回特性進行了研究，從而驗證了所建立動力學模型的有效性。
　　研制了7Fr的單彎鋼絲牽引導管及其專用手柄，其彎曲段的前后端各集成1個5DOF電磁傳感器，遠端還攜帶2個電極和1個熱電偶。對導管前端集成雙5DOF和單6DOF電磁傳感器的遠端形狀進行正確的顯示。
　　采用主從控制方式來實施插管操作。研制了專用的導管輸送機構和手柄操縱機構，在手術現(xiàn)場代替醫(yī)生完成操作。輸送機構能夠實現(xiàn)對導管的推/拉和扭轉操作，其中

4、扭轉操作是通過對2個電機的運動合成來實現(xiàn)，避免了電機整體旋轉。手柄操縱機構能夠對手柄滑套實施推/拉操作，使得導管遠端彎曲和恢復，以及對手柄實施推/拉和扭轉操作。對導管和輸送機構進行了運動學分析，將柔性的導管用剛性的桿和關節(jié)進行表示，采用D-H法建立了運動學模型，獲得了導管端部的工作空間。使用3DOF手柄實現(xiàn)主從操作。輸送機構的主摩擦輪上設置有2組觸力傳感器，可以將輸送過程中所受到的阻力進行反饋，并對手柄的力反饋進行設置，以增強介入操作的

5、真實感。
　　開發(fā)了用于輔助介入操作的3D圖像引導軟件，采用四個視圖幫助醫(yī)生確定導管和血管的空間位置關系。首先在對2D的切片數(shù)據(jù)進行3D重建的基礎上，利用廣義勢場的方法對血管模型的中心線進行了提取。在中心線上手工拾取起始點和靶點，生成導航路徑，采用Cardinal三次樣條曲線進行平滑。以導航路徑為依據(jù)對虛擬相機的參數(shù)進行設置，實現(xiàn)漫游導航。采用方向包圍盒方法實現(xiàn)了導管端部與血管模型的實時碰撞檢測，并提供導管端部與血管壁的距離信息。

6、通過預配準和精確配準兩個步驟實現(xiàn)圖像坐標系與傳感器坐標系的映射。
　　利用研制的單彎鋼絲牽引導管、主從輸送裝置和引導圖像構建了導管機器人系統(tǒng)。對單彎鋼絲牽引導管及輸送裝置的性能進行了測試。在血管模型中成功地實施了多次插管操作驗證了所構建導管機器人系統(tǒng)的可行性和有效性。通過對2D和3D圖像引導手工和手柄操作插管所需的操作時間及成敗進行比較，對系統(tǒng)的性能進行了定量的分析。利用實際介入過程中導管與血管壁面接觸時，引導圖像上導管端部與血管