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1、 博士学位论文博士学位论文 基于三维超声图像的穿刺手术机器人辅助系统研究 STUDY ON ROBOT-ASSISTED SYSTEM FOR PERCUTANEOUS SURGERY BASED ON 3D ULTRASOUND IMAGES 孙银山孙银山 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2011 年年 5 月月 国内图书分类号：TP242.6 学校代码：10213 国际图书分类号：621.586.4 密级：公开 工工学博士学位论文学博士学位论文 基于三维超声图像的穿刺手术机器人辅助系统研究 博 士 研 究 生 ： 孙银山 导 师 ： 孙立宁教授 申 请学位 ： 工学博士 学科 ： 机械电子工
2、程 所 在 单 位 ： 机电工程学院 答 辩 日 期 ： 2011 年 5 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 Classified Index: TP242.6 U.D.C: 621.586.4 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering STUDY ON ROBOT-ASSISTED SYSTEM FOR PERCUTANEOUS SURGERY BASED ON 3D ULTRASOUND IMAGES Candidate： Sun Yinshan Supervisor： Prof. Sun Lining Academic D
3、egree Applied for： Doctor of Engineering Speciality： Mechatronics Engineering Affiliation： School of Mechatronics Engineering Date of Defence： May, 2011 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 摘 要 - I - 摘 要 经皮穿刺手术因创伤小、疼痛轻、手术并发症少、恢复快等特点越来越受到医生和病人的欢迎，尤其在活检、介入治疗等领域得到了广泛应用，并成为非手术切除
4、治疗肿瘤的有效方法。由于超声具有实时性、无辐射、经济方便等特点，临床中多以超声图像来引导穿刺手术。但是，临床手动穿刺手术存在穿刺角度受限、准确性和稳定性不高、过于依赖医生经验等不足。因此，图像引导的机器人辅助穿刺手术技术成为近年来国际前沿的研究热点之一。论文在黑龙江省自然科学基金重点项目的支持下，对 freehand 三维超声引导的穿刺手术机器人辅助系统的关键技术进行了研究， 主要包括系统构建、freehand 超声图像三维重建、穿刺机器人运动规划及控制方法、穿刺机器人运动参数计算以及手术监控等内容。 面向临床超声引导的经皮穿刺手术，构建了 freehand 三维超声引导的穿刺手术机器人辅助系
5、统。该系统主要由 6-DOF 穿刺机器人、freehand 三维超声和电磁定位三个子系统组成。其中，穿刺机器人可根据系统规划的运动步骤和计算的运动参数逐步完成穿刺手术，克服了临床手动穿刺中的人手抖动问题，提高了穿刺手术的准确性和稳定性，减轻了医生的劳动强度。Freehand三维超声系统用于建立病灶的三维几何模型，帮助医生更准确地进行手术规划，克服了二维超声的局限性，降低了对医生经验的依赖程度及人为因素对手术的影响程度。电磁定位系统取代临床中的穿刺引导架，不仅能解决穿刺引导架造成的穿刺角度受限问题， 还实现了手术器械的空间定位和实时监控。 Freehand 超声图像三维重建的关键技术包括探头标定
6、、三维晶格中的体素灰度计算以及三维晶格的可视化。通过分析基于N形模型探头标定方法存在的问题，提出了基于改进N形模型和非迭代最小二乘解的探头标定方法。改进后的N形标定模型可使非线性标定方程线性化，简化了标定方程求解的复杂度，避免了标定方程求解存在的局部收敛和迭代初值选择不当问题。在分析 PNN 算法性能的基础上，提出了 PNN-Maximum 体素灰度算法。该算法节省了空缺体素的搜索时间，避免了插值运算引起的误差。在分析三维图像可视化算法特点的基础上，基于 VTK 中封装的 Ray-Casting 体绘制算法实现了三维晶格的可视化。实验验证了 freehand 三维超声系统的有效性。 基于临床手
7、动穿刺手术流程、手术安全性和医生操作习惯，对穿刺机器人的运动步骤和运动功能进行了规划，并通过相应的控制方法实现了机器人哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - II - 穿刺手术所需要的运动功能。穿刺机器人运动按先后顺序分为手臂平移、手腕调姿、进针及退针四个步骤。考虑到临床手动穿刺的操作习惯和安全性，提出了外力驱动的机器人拖动控制方法。该方法通过机器人末端的力传感器将拖动力转换为机器人手臂电机的脉冲信号，使医生可通过拖动机器人手臂的方式来移动穿刺针。 实验结果表明机器人外力拖动控制具有较好的柔顺性。在分析穿刺针姿态调整方法的基础上，提出了基于笛卡尔反向运动的针尖位移补偿算法。该算法用机器人手臂的笛卡
8、尔反向运动来实时补偿机器人手腕运动导致的针尖点位移，使针尖在穿刺针姿态调整过程中保持不动。实验结果表明针尖位移精度在 1mm 以内，验证了针尖位移补偿算法的有效性。根据临床手动穿刺的经验知识， 提出了基于力/位反馈的机器人进针速度模糊控制方法。该方法以进针深度和进针力作为模糊控制器输入，以进针速度作为模糊控制器输出。实验结果表明机器人进针控制策略能有效提高机器人进针安全性及减小软组织形变对机器人穿刺手术的影响。 以电磁发射器为基准坐标系建立了穿刺手术机器人辅助系统的空间映射关系，从而将三维图像中的进针路径映射到机器人空间并计算出机器人运动参数，然后通过穿刺针标定技术实现了穿刺针在三维图像中的实
9、时监控。为了验证 freehand 三维超声引导的穿刺手术机器人辅助系统的有效性，通过一系列实验测试了系统的定位精度。 实验结果表明系统的总体定位误差在 5mm以内，可满足腹腔穿刺手术的医学要求。最后，对穿刺手术机器人辅助系统的定位误差进行了分析，为此类系统的设计和改进提供了依据。 关键词：经皮穿刺手术；手术机器人；Freehand 三维超声；电磁定位；针尖位移补偿 Abstract - III - Abstract Due to minimal trauma and pain, few complications and fast recovery compared with convent
10、ional surgery, percutaneous surgery is more and more welcomed by doctors and patients especially in the fields of biopsy and interventional therapy, and has been widely used in treatment of tumor resection as non-surgical effective method. Since ultrasound is real-time, non-ionizing, economical and
11、convenient, it has been widely used to guide clinical percutaneous surgery. However, the ultrasound-guided percutaneous surgery has some deficiencies such as limited needle insertion angle, low accuracy and stability, and over-reliance on medical experience. Therefore, the technology of image-guided
12、 robot-assisted percutaneous surgery has become one of international hot research issues in recent years. This dissertation, supported by Key Project of Heilongjiang Natural Science Foundation, performs researches on key technologies of robot-assisted system for percutaneous surgery guided by freeha
13、nd 3D ultrasound, which mainly includes system construction, 3D reconstruction of freehand ultrasound images, motion planning and control of percutaneous robot, motion parameters calculation of percutaneous robot, and operation monitoring. For clinical applications of ultrasound-guided percutaneous
14、surgery, the robot-assisted system for percutaneous surgery guided by freehand 3D ultrasound images is constructed in this dissertation, which consists of 6-DOF percutaneous robot subsystem, freehand 3D ultrasound subsystem and electromagnetic tracking subsystem. According to the planning motion ste
15、ps and calculated motion parameters, the robot can perform percutaneous surgery instead of human operation, which overcomes hand tremble, improves surgical accuracy and stability, and reduces labor intensity of doctors. Freehand 3D ultrasound can create 3D geometric model of lesions to help doctors
16、plan surgery more accurately, which overcomes the limitations of 2D ultrasound, and reduces dependence on medical experience and impact from human factors. Electromagnetic tracking system replaces the clinical guiding device, which can both solve the problem of limited needle insertion angle, and realize spatial real-time spatial tracking and monitoring of surgical instruments.
