沉浸交互式血管介入手术机器人及力反馈技术研究

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微创介入疗法是近些年来心脑血管疾病治疗方法的主要发展趋势和发展方向,但传统手动介入手术所暴露出的一些缺点在很大程度上限制了微创介入手术的应用和发展。而随着机器人技术、传感器技术、信息技术等一批高新技术的发展,设计研发出一款用于介入手术的医疗机器人已经成为了“医工结合”领域的研究热点。本文通过分析传统介入手术过程中的手术手法,明确介入手术机器人的功能需求,从人机工程学的角度出发,将介入手术机器人各功能单元与传统手术手法一一对应起来,设计出一款被动式介入手术机器人辅助插管样机系统。使医生在远端操作主操作器时,从操作器可以完美的复现医生手部动作,进而实现导丝/导管精确的朝病灶部位前进。然而,对于操作医生来说,整个介入手术机器人系统能够拥有沉浸式临场感至关重要,它不仅能够提升用户体验,而且能有效保障病人的生命安全。基于此本文设计出一套基于磁流变液阻尼器的力反馈装置,并对其进行了仿真优化设计,极大的提高了手术的安全性和整套设备的可靠性。在完成介入手术机器人主、从操作器及力反馈装置的设计之后,本文还设计了以核心控制硬件为底层,控制算法为中间层,基于图像采集模块的人机交互界面为上层的三层交互式主-从控制模式。该控制系统的目标是能够实现主、从操作器协同工作,将导丝/导管顺利向病灶处推进。最后,在整体功能实现的基础上,设计并完成一系列的验证实验,对主操作器位姿信息采集精度、从操作器位姿信息执行精度、主-从控制精度进行定量分析,并对整个介入手术机器人系统做了人体模型的验证实验。实验结果表明,该介入手术机器人系统完全能够实现介入功能并满足医学精度要求。
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