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开颅手术机器人颅骨钻铣控制方法研究

文献类型:学位论文

Author韦柄廷
Issued Date2034-06
Subtype硕士
Keyword机器人辅助开颅手术,颅骨-脑膜边界检测,钻孔约束控制,力位混合控制,离体动物实验
English Abstract

开颅是治疗颅脑创伤、胶质瘤等神经外科疾病的第一步。传统开颅手术存在医生劳动强度大,硬脑膜易损伤,培养合格的神经外科医生周期长,基层医院因条件限制无法及时实施开颅手术导致患者无法获得及时治疗等问题。因此面向神经外科临床应用的机器人控制技术研究具有重要的社会效益和临床应用价值。利用机器人技术辅助开颅能提高手术操作的精准性、稳定性,缩短手术时长,降低医生的劳动消耗,提高手术效率。本文在国家自然科学基金委员会国家重大科研仪器研制项目“面向神经外科肿瘤切除的高灵敏性智能显微精准导航操作仪"(62027813)的支持下,以提高神经外科机器人开颅操作的智能化程度为出发点,研究机器人辅助开颅手术中颅骨钻削和铣削操作中的精准控制问题。论文的主要内容如下:

  1. 针对如何让机器人自主执行颅骨钻孔任务的问题,设计了机器人钻孔的进给力、进给速度、姿态混合约束控制方法,并搭建了开颅手术机器人机器人实验平台对控制方法进行验证。本文搭建的开颅手术机器人实验平台搭载了力感知模块模拟医生对力信号变化的感知。在机器人自主颅骨钻孔控制方法上,将机器人钻孔的运动约束成一条直线并通过一个起停式(bang-bang)控制器在进给力过大时限制机械臂钻进的速度来控制进给力。通过离体动物的颅骨钻孔实验的进给力信号,可以将钻孔状态分类为:进给力上升阶段、力饱和阶段、突破阶段和机械保护阶段等四个阶段。

  2. 针对机器人在开颅钻削过程中如何自主识别颅骨钻穿问题,本文设计了基于监测进给力信号变化的颅骨-脑膜边界检测算法。该方法设置了两个连续时间序列窗口,第一个连续时间序列窗口T1用于跟踪进给力的变化,同时均值起到减少噪声影响的作用。第一个连续时间序列窗口T2用于缓冲,减少突破阶段的数据进入T1影响检测。针对如何合理选取颅骨-脑膜边界检测算法的参数的问题,本文建立了开颅钻突破阶段进给力-突入量关系的线性近似模型,将开颅钻的额外突入量作为优化目标,将实验中力饱和阶段噪声的统计数据作为约束将颅骨-脑膜边界检测算法的参数选择转化成一个最优化问题,通过求解该优化问题设置了颅骨-脑膜边界检测算法的参数。本研究共利用机器人开颅手术平台进行了72次机器人自主钻孔、自主检测颅骨-脑膜边界的钻孔实验,实验分别在七个山羊头、一个比格犬、一个柴犬的离体头颅上进行。其中有四例实验颅骨没有被钻穿而开颅钻的机械保护装置提前触发,实验被迫终止;一例实验颅骨已钻穿,但是手术机器人未能识别到信号;手术机器人实验平台能自行识别到颅骨被钻穿的实验有67次,占比93.06%,实验均未观测到颅内软组织损伤。

  3. 针对机器人自主铣削颅骨的问题设计了基于PID模糊控制的机器人铣削颅骨的力位混合控制方法。本文将上拉力的产生建模为铣刀保护鞘“J”形结构的弹性形变,并结合机械臂与未知环境的阻抗模型提出机械臂装载铣刀上拉力的控制可以利用时变、与位置非线性相关的PD控制器进行控制。为了处理模型不确定与环境未知的力位混合控制问题,本文利用模糊PID对上拉力进行控制,并分别在塑料颅骨模型和离体柴犬颅骨上进行了铣削实验。上拉力控制在塑料颅骨模型实验上的控制均方根误差为1.24 N。动物颅骨内表面并不光滑,存在许多突起与沟壑;离体柴犬头颅保留了相对完整的生物学解剖结构,在对离体的柴犬颅骨铣削过程中,硬脑膜一直与铣刀保护鞘保持弹性接触,实验表明所设计的控制方法虽然在铣削动物颅骨过程中对铣刀上拉力的控制存在波动,但是在铣削过程中仍保持了上拉力,铣削实验未损伤离体动物颅内软组织。

Language中文
Pages76
源URL[http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/52039]  
Collection毕业生_硕士学位论文
Recommended Citation
GB/T 7714
韦柄廷. 开颅手术机器人颅骨钻铣控制方法研究[D]. 2034.

入库方式: OAI收割

来源:自动化研究所

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