颅颌面肿瘤穿刺手术机器人进针策略与实验研究

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1、颅颌面肿瘤穿刺手术机器人进针策略与实验研究陈宁宁2016年1月中图分类号：TP242.3UDC分类号：621.3颅颌面肿瘤穿刺手术机器人进针策略与实验研究作者姓名陈宁宁学院名称机电学院指导教师段星光教授答辩委员会主席宋萍教授申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月NeedleInsertionStrategiesandExperimentsRearchofPunctureSurgeryRobotforCranio-MaxillofacialTumorsCandidateName：ChenN

2、ingningSchoolorDepartment:MechanicalandElectronicFacultyMentor:Prof.DuanXingguangChair,ThesisCommittee：Prof.SongPingDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor：MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指

3、导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要颅颌面部肿瘤位置深在，涉及重要的神经血管组织及解剖结构，手术不易切除且容易复发，对手术操作精度和稳定性要求较高；而传统颅颌面外科手术中治疗颅颌面肿瘤的穿刺活检手术及放射性粒子植入手术操作非常复杂

4、且危险性比较高。因此，把机器人技术引入颅颌面肿瘤穿刺诊疗手术中，建立集术前手术设计、光学导航、力反馈控制系统、医学图像处理、手术机器人为一体的颅颌面肿瘤穿刺手术机器人系统，实现颅颌面肿瘤活检及放射性粒子植入等临床手术，减少人为因素，达到减轻医生负担、提高定位精度和手术质量的目的。本文的主要研究内容如下：第一，分析颅颌面肿瘤手术操作方法，根据手术需求搭建了颅颌面肿瘤穿刺手术机器人系统，研制了机器人放射性粒子植入末端机构及通用接口，并提出了颅颌面肿瘤穿刺手术机器人手术操作流程。第二，建立了机器人运动学模型，进行正、逆运动学解算；采用基

5、于外部标记点的空间配准方法建立了机器人系统的四个子坐标系之间转换关系。第三，对机器人定位精度进行分析，采用修正的D-H模型对机器人运动学参数进行标定；同时，对影响机器人空间配准精度的因素进行分析，建立了误差传递模型，给出了提高机器人系统穿刺精度的方法。第四，对机器人穿刺过程中穿刺针与软组织间力的相互作用进行了分析，对不同进针速度下的进针力进行了研究；此外，建立了针体弯曲变形估计方程并通过实验验证其正确性。最后，提出了基于进针力及针体弯曲变形的机器人进针策略。最后，搭建了机器人系统实验平台，在此基础上完成了机器人标定实验、定位精度验

6、证实验、空间配准精度实验及系统穿刺精度实验，最后完成机器人系统肿瘤穿刺活检及放射性粒子植入模型实验，对实验结果进行分析。关键词：颅颌面肿瘤；手术机器人；参数标定；进针策略；系统实验I北京理工大学硕士学位论文AbstractThelocationofcranio-maxillofacialtumorsinvolvestheimportantnervebloodvesselsandanatomicalstructure，hardtoberemoved,easyrecurrenceanddemandshighprecisionandst

7、ability.Butthetraditionalpuncturebiopsyandradioactiveparticlesimplantationsurgerywereverycomplicateandhighriskinthetreatmentofcranialandmaxillofacialtumor.Soimportedtherobottechnologyintocranialandmaxillofacialsurgery,establishedrobotsystemwithopticalnavigationdevice,

8、controlsystemofforcefeedback,imageprocessingandsurgeryrobot.Torealizebiopsiesandradioactiveparticlesimplantationsurgeryforcr