实时CT引导的医疗机器人遥操作穿刺关键技术研究

CT-guided percutaneous surgery is the most common method of clinical cancer diagnosis and treatment. This method depends on the doctor’s rich experience, even with the optical, magnetic and other auxiliary position measures. Multiple scans and free-hand needle insertions are necessary to finish the surgery, but the insertion efficiency, accuracy and safety need to be improved. Based on the above problems, the project analyzes the main factors affecting the accuracy and efficiency of insertion. Firstly, the project researches the interaction mechanism of needle and soft tissue, establishes interaction model of soft tissue and nonlinear friction needle, to achieve the analysis and forecast of soft tissue deformation in the insertion process. Secondly, by two methods of visual target tracking and accelerometer arrays, it monitors the respiratory motion and finishes the respiratory motion model and forecast. In addition, online planning method of CT scanning strategy is researched. The online computing of CT scan area, resolution and image quality is achieved in order to improve real-time performance of CT scan image. Finally, the master-slave teleoperation needle insertion system is established by using position-position type control algorithm. The existing insertion surgical robot and real-time CT equipment built the experimental platform to verify the correctness and effectiveness of relative theory and methods for medical robot teleoperation needle insertion based on the real-time guidance.

CT引导经皮穿刺手术是目前临床上进行癌症诊断和治疗的最常用方法，该方法对术者经验依赖性高，即使采用了光学、磁场等辅助定位措施，也往往需要多次扫描和徒手穿刺，穿刺效率、精度及安全性都有待提高。本课题针对上述问题，分析影响穿刺精度和穿刺效率的主要因素，首先研究穿刺针与软组织的相互作用机理，建立基于非线性摩擦力的穿刺针与软组织力交互模型，实现穿刺过程中软组织变形的分析与预测。其次，通过视觉靶点跟踪和加速度计阵列两种方法监测呼吸运动，实现呼吸运动建模与预测。在此基础上，研究CT扫描策略的在线规划方法，实现CT扫描区域、分辨率和图像质量的在线计算，以提高CT图像的实时性。最后，采用位置-位置型控制算法，构建主从式医疗机器人遥操作穿刺系统，以项目组现有的穿刺手术机器人和实时CT设备为基础搭建实验平台，以验证基于CT引导的医疗机器人遥操作穿刺相关理论和方法的正确性和有效性。

在癌症的诊断和治疗中，CT引导经皮穿刺手术是临床上最常采用的方法。传统的CT引导经皮穿刺手术在穿刺过程需要多次停顿，期间不断通过CT扫描来确定病灶和穿刺针的相对位置，穿刺精度不高，手术时间长，射线照射剂量大。机器人辅助定位穿刺是外科诊断与治疗的重要手段和发展趋势，对于提高诊断效率和治疗效果具有重要意义。本课题针对传统的CT引导经皮穿刺手术以及机器人辅助定位穿刺手术中存在的问题，研究了基于实时CT引导的医疗机器人遥操作穿刺方法，在实时CT扫描下，医生主从控制机器人进行穿刺，大大提高了穿刺效率和精度，降低了患者的射线照射剂量。首先，采用改进的质点弹簧模型对软组织形变进行建模，建立了更好的弹簧拓扑结构；然后，利用NDI数据采集设备采集呼吸运动数据并进行分析，研究了基于非参数回归的呼吸运动预测算法，预测精度在1mm以内，且具有很强的鲁棒性；其次，研究了CT扫描策略在线规划方法，用于指导临床穿刺手术的进针操作；最后，研究了实时CT引导的医疗机器人遥操作位置-位置型控制方法，实现了遥操作臂控制，同时术中力信息通过主控端反馈到操作者手上。本课题研究满足了临床更高精度、更高效率的CT引导经皮穿刺手术需求，能够促进医疗机器人技术发展。