基于水平集的前列腺磁共振图像分割方法研究

基于前列腺磁共振图像(MRI)特征信息及其病变好发特定区域等先验知识,针对前列腺内外轮廓全分割问题,提出基于边缘距离调整水平集演化(DRLSE)的前列腺MRI两步分割方法。在构建统一水平集能量函数的基础上,第1步基于前列腺MR的T1(纵向弛豫时间)图像实现其外轮廓分割,第2步在外轮廓约束限定条件下,基于前列腺MR的T2(横向弛豫时间)图像实现前列腺的内部轮廓分割,进而完成前列腺内外轮廓的全面有效分割。设计了前列腺分割的人机交互界面,对10个前列腺病例MR图像(含正常、增生和癌变共30幅)进行了分割实验研究,并采用Dice相似性系数(DSC)对分割结果进行评价分析,DSC值达到90%以上。实验结果表明,所提出的基于边缘DRLSE的前列腺MRI两步分割方法能够有效地实现前列腺内外轮廓的全面分割,非常接近于临床专家手动分割的理想结果,对前列腺疾病的临床诊断和治疗有较好的参考价值。

柔索驱动的玻璃幕墙清洗机器人研制及实验研究

玻璃幕墙由于保温防潮性能好、实用美观,在城市建筑物中被广泛采用。但是目前对于玻璃幕墙的清洗,还主要是采用人工吊篮作业,工人劳动强度大、危险性高、效率低。受蜘蛛在空中拉动吐丝实现移动的启发,研制了一种由2根柔索驱动的玻璃幕墙清洗机器人。介绍了机器人的基本结构组成,设计了采用蜗杆减速器实现自锁保护功能、多槽主从动辊轮增大绳索摩擦力的机器人驱动部分,由储水罐、控制阀、喷头、清洗刷组成的清洗部分,以及由旋翼实现的机器人墙壁吸附部分。进行了机器人的工作空间计算、机器人运动时柔索收放控制分析和旋翼工作时机器人的受力分析。最后基于双柔索驱动的玻璃幕墙清洗机器人模型样机,进行了沿给定轨迹移动的实验和清洗实验。实验证明机器人满足了设计功能,达到了满意的清洗效果,结果验证了该模型样机的有效性和实用性。

机器人弯制澳丝的回弹机理分析及实验研究

错颌畸形是一种常见的口腔疾病,固定矫治技术是目前常见且有效的正畸治疗的方法,其中正畸弓丝的弯制是固定矫治技术的关键部分。由于弓丝的超弹性、成形弓丝的形状复杂性和手工操作的不确定性,难以实现快速、精确的个性化正畸弓丝的弯制。提出采用机器人实现正畸弓丝弯制,利用机器人的位姿精确控制能力和刚性保持能力克服弓丝的超弹性,实现弓丝弯制。基于弓丝弯制原理的分析,进行了澳丝弯制回弹过程分析。从考虑弯曲过程中中性层内移和弯曲力臂影响的角度出发,以澳丝拉伸试验所得材料本构模型为基础,进行了澳丝弯曲中性层曲率半径和弯曲力矩的计算,进而建立了澳丝的弯曲回弹理论计算模型。基于正畸弓丝回弹测量仪进行了澳丝弯曲回弹实验研究,结果验证了澳丝弯曲回弹理论计算模型的正确性。针对一例患者的口腔参数,基于正畸弓丝弯制机器人实验系统,进行了澳丝弯制实验研究,实验结果满足口腔治疗的要求,结果验证了该机器人样机的有效性和实用性。

机器人弯制正畸弓丝成形控制点规划及实验研究

错颌畸形是目前危害人类健康的第三大口腔疾病,固定矫治是一种常用且有效的正畸治疗手段,其中矫治弓丝的弯制是重要部分。机器人以其精确的位姿控制和刚性保持能力可以克服弓丝的超弹性实现弓丝弯制。基于幂函数模型建立了分段式的正畸弓丝数学模型,提出采用增量法实现正畸弓丝成形控制点的规划,进行了增量法实现正畸弓丝成形控制点规划策略的研究。通过正畸弓丝成形控制点规划实验,分析不同等分数下初始精度值对控制点数目和面积误差的影响规律,以及控制点数目和面积误差之间的关系。基于正畸弓丝弯制机器人实验系统,针对一例患者的口腔参数,进行了正畸弓丝弯制实验研究,结果验证了正畸弓丝成形控制点规划策略的有效性。

前列腺高精度穿刺机理及策略研究

针介入前列腺中,前列腺会产生漂移、变形以及针尖会产生偏转等问题。为了改善机器人操控穿刺针的定位精度,研究了振动、旋转穿刺软组织机理,建立针-前列腺相互作用力模型。利用制备的实验平台分别完成了振动穿刺和旋转穿刺效果评估实验;通过对上述实验结果的分析,提出了一种基于振动和旋转的高精度进针策略,并设计了相应的进针策略控制软件;最后,采用高精度进针策略完成了穿刺力评估实验,实验结果验证本文进针策略的有效性。

柔性针的运动学建模及实验研究

针对带斜尖的柔性针的运动学建模问题,首先简化了WlebsterⅢ等人提出的柔性针非完整约束系统的自行车模型,提出了自行车前、后轮模型.在此基础上,以实际轨迹和误差分析为依据,提出了更符合实际的带返程的自行车模型.采用最小二乘法拟合实验数据,求得模型中各参数.结果表明,带返程的自行车模型远远优于不带返程的模型,其中带返程的前轮模型又优于带返程的后轮模型,且模型的最大误差和误差的均方根都足够小,与实际轨迹吻合度好.

多电机驱动的牙弓曲线发生器的运动控制与实验研究

根据多电机驱动的牙弓曲线发生器的同步运动控制要求,本文就多电机驱动的牙弓曲线发生器进行了运动学分析.采用IPC+PC6401控制卡的硬件控制方案,基于VC++6.0开发平台,应用多线程技术实现多电机驱动的牙弓曲线发生器的实时闭环同步控制,并以多操作机排牙机器人为实验样机,进行了控制实验和排牙实验.实验结果表明,多线程技术的应用,避免了实时控制造成的主线程阻塞,实现了多电机驱动的牙弓曲线发生器的并行协调运动;通过误差分析和具体的排牙实验可知,该控制策略和技术路线满足了运动速度和定位精度的要求.

斜尖柔性针穿刺软组织受力建模及测量方法研究

斜尖柔性针穿刺软组织的受力分析与建模是研究柔性针弯曲变形的基础,然而柔性针受力十分复杂,目前并无完善、系统的受力模型。针对这一问题,对柔性针的受力进行系统地分析,将受力建模为切割反力、夹紧力、夹紧摩擦力、组织抵抗力、抵抗摩擦力、支持力及支撑摩擦力等,并给出了各受力之间的联系,建立起统一的受力系统。提出带有入针支撑的斜尖柔性针穿刺方式和受力的测量方法,采用单维力传感器与六维力传感器相结合的方法实现部分受力的解耦测量,并通过实验数据解算未知力,得到了所有建模力的结果。为下一步基于力学的柔性针弯曲建模奠定了理论和实验基础。

基于电磁跟踪与超声图像的介入机器人穿刺导航方法及实验研究

在超声引导的微创介入手术应用中,仅凭超声图像难以实现对手术针实时、准确的跟踪。利用电磁定位系统结合超声图像实现微创介入机器人的穿刺导航任务。超声图像用于确定局部病变的位置,电磁定位系统用于对手术针进行实时定位和跟踪。为使二者有机结合,提出了一种基于伯恩斯坦多项式的误差补偿方法,对跟踪误差进行补偿;采用N线模型法对超声图像进行标定,并以此为基础完成手术针与图像空间的配准,进而提出了虚拟进针路径的概念,实现了电磁定位数据与图像数据的融合。为验证所提方法的有效性和可行性,对超声系统与电磁定位系统的结合性进行了实验研究;搭建了前列腺微创介入机器人平台,进行了多种角度下的靶向穿刺定位实验。实验结果表明:在使用尼龙作为机器人本体材料、钛合金材质手术针的前提下,所提方法对假体穿刺的平均精密度为1. 14 mm,平均准确度为1. 62 mm,能够满足前列腺介入手术的临床精度要求。

基于有限元的套管柔性针穿刺软组织弯曲建模研究

套管柔性针作为柔性针的一个重要分支,与其他传统的柔性针相比,在针体路径矫正、穿刺灵活性以及斜尖转角控制精度等方面具有巨大的优势。为深入研究套管柔性针穿刺机理,建立基于有限元的穿刺弯曲模型。分析软组织的生物力学特性,建立了精确的软组织模型;对套管柔性针穿刺软组织进行受力分析,建立力学模型;在力学模型的基础上,建立套管柔性针穿刺软组织的弯曲模型,进行仿真研究。最后通过实验得到穿刺力-时间曲线和针弯曲变形曲线,并与仿真曲线进行比较。结果表明,仿真结果符合实验穿刺力的变化趋势,系统弯曲误差在2 mm以内,满足医学上的要求,验证了套管柔性针穿刺软组织的力学模型以及弯曲模型的正确性和合理性,为路径规划及控制奠定理论基础。

应用于核磁环境的双腱鞘传动分析与研究

乳腺活检机器人在核磁环境下因为材料及驱动的兼容性一直难以同时获得高质量的扫描图像和精准的活检针介入。因此提出一种能够满足核磁兼容并应用于机器人上具有双折线螺纹的可以实现远距离、大行程的双腱鞘柔性传动系统。首先,针对具有双折线螺纹的双腱鞘远程传动系统,对其单关节进行了摩擦力分析。通过对单关节双腱鞘传动的非线性耦合特性进行分析,建立了双腱鞘双向耦合传动模型。并搭建了单关节双向耦合传动实验平台,且对其进行了分析及补偿实验。其次,搭建了双腱鞘传动的多关节乳腺活检机器人实验平台,并对双腱鞘传动的多关节乳腺活检机器人进行了双向耦合运动误差分析以及补偿实验。补偿后针尖进入组织的X、Y、Z 3个方向平均误差分别为1.39、1.89和1.60 mm。实验结果表明,双腱鞘传动的多关节乳腺活检机器人可以满足核磁环境下乳腺活检的精度需求。

弓丝弯制机器人的运动分析与仿真研究

为了满足弓丝弯制机器人高位姿精度和实时响应的要求，提出从几何理论的角度对弓丝弯制机器人的运动进行分析。通过建立几何空间下的弓丝弯制机器人坐标系，基于李群李代数研究了机器人前3个关节构成的位置方程和后3个关节构成的姿态方程；建立了弓丝弯制机器人的动力学方程，计算出了机器人沿规划出的路径运动所需的力矩。以口腔正畸治疗中用到的矫正弓丝形状为目标，采用基于MATLAB函数的仿真分析方法对机器人的位置关节进行了运动学和动力学仿真。仿真结果显示，模型能够较好地跟踪规划出的末端运动轨迹，并且高效地计算出各关节的运动角度与控制力矩，为进一步开发弓丝弯制机器人运动控制器提供了依据。

悬臂式前列腺粒子植入机器人重力矩平衡分析及实验研究

前列腺癌是男性泌尿系统最常见的恶性肿瘤,经会阴前列腺癌放射性粒子植入对于器官局限的早期低危前列腺癌是安全有效的治疗手段。传统的粒子植入手术是由医生手动完成的,由于手工操作的不确定性很难保证粒子植入的定位精度。提出采用机器人实现粒子植入手术,利用机器人的位姿精确控制能力解决手工操作不确定性导致的定位精度低的问题。进行了悬臂式粒子植入机器人的设计,由于悬臂结构产生的重力矩在工作时对机器人的运动稳定性产生影响,在对力平衡机构分析的基础上,在大小臂的回转关节处设计了十字交叉双弹簧平衡机构来平衡悬臂产生的重力矩,建立了悬臂式前列腺粒子植入机器人重力矩平衡的数学模型。利用Solidworks/Motion模块对引入十字交叉双弹簧平衡机构的悬臂式前列腺粒子植入机器人进行了运动仿真。基于悬臂式前列腺粒子植入机器人实验系统,分别进行了末端水平负载1 kg、竖直负载1 kg和水平竖直复合负载各1 kg情况下的平衡实验,实验和仿真结果表明悬臂式前列腺粒子植入机器人达到了设计时的预期目标,实现了重力矩的平衡。

基于VRML的仿人机器人运动仿真的研究

VRML是Internet上基于WWW的具有交互性的虚拟现实建模语言,是描述虚拟场景的标准。本文以VRML为基础,结合3dsMax建模工具,对17DOF仿人机器人进行了三维建模,并通过与高级语言JAVA的编程接口EAI,初步实现了仿人机器人各个关节的运动仿真。

基于切片数据的人工牙三维重建方法的研究

三维重建技术是随着计算机技术和数据测量技术的进步而发展起来的一门新兴技术。当重建物体外形复杂时,不规则形状所引起的错动和大批量数据的测量误差给三维重建带了很大不便。文中提出了一种以切片表示方法将原始大批量稠密数据点的无序结构简化为具有层列结构的有序组织形式,并在此基础上通过重构各层轮廓线的方法对牙齿实现了较为理想的三维表面重建。

机器人仿生面部系统研究综述

机器人仿生面部系统是近几年机器人研究领域较活跃并引起广泛兴趣的研究方向之一 .本文综合分析了在机器人仿生面部系统的制造及其表情的产生等方面的研究现状 ,并对该领域未来的研究重点。

基于惯性导航与电磁导航融合的靶器官运动跟踪方法研究

靶器官的术中运动是目前制约临床手术中尤其是放射性治疗手术诊疗效果的关键难点问题。其非预期姿态变化会导致术中目标靶区的偏离,从而影响治疗效果甚至引发严重并发症等。因此有必要对术中靶器官的运动进行实时精准的位姿跟踪,以提高手术治疗效果与安全性。提出一种基于惯性导航与电磁导航融合的术中靶器官运动融合跟踪方法,可利用人体自然腔道在无创或微创条件下对靶器官运动进行直接测量。基于所提出的融合跟踪系统干扰状态判别方法,利用扩展卡尔曼滤波器对惯性测量单元与电磁定位信息融合,实现在不同干扰情况下的靶器官运动融合跟踪,有效提高术中器官跟踪的实时性与鲁棒性。同时基于0.002 rad/s陀螺仪,5 mg加速度计及6自由度电磁定位系统,研制了导管式靶器官融合跟踪器,并在模拟术中电磁干扰环境下进行了动态与静态验证实验。通过实验得到在受到严重电磁扰动情况下其位移与姿态的最大跟踪误差分别为2.51 mm和0.127 rad。在非电磁干扰条件下,其位移与姿态最大跟踪误差分别为0.93 mm和0.011 rad。结果证明基于惯性导航与电磁导航融合的靶器官术中跟踪方法可行,且能够在临床许可误差范围内实现对术中靶器官的运动位姿进行跟踪测量。

基于虚拟安全操作平面的机器人粒子植入规划方法与实验研究

采用机器人辅助医生完成粒子植入手术,其机器人末端定位精度、安全操作性能以及自动化程度,对临床应用有非常重要的意义。本文在搭建了粒子植入机器人实验系统的基础上,研究了机器人位置闭环控制算法,并提出了一种基于虚拟安全操作平面的粒子植入规划方法,该方法避免机器人操作事故和减小手术时间、能耗。结合虚拟安全操作平面策略、Hopfield神经网络最短路径搜索以及6步循环粒子植入运行程序这3个过程,设计了安全可靠、人机协助的智能化前列腺粒子植入机器人控制系统上位机控制软件。完成了粒子植入精度评估实验,粒子在x向放置精度相对较高,在y向和z向位置误差分别为0. 25mm和0. 34mm,粒子整体的放置精度误差为0. 84mm,粒子植入操作时间(和医生对比)减小了60%左右。

基于遗传算法的机器人轨迹插值方法的研究

为了降低工业机器人在运动过程中关节的最大加速度,提升运动的平稳性。通过对机器人运动学分析,求出起始和终止关节角度,分别采用三次多项式和高阶多项式插值算法进行运动插值。分析两种方法的特点,提出一种新型多项式插值方法为三段多项式“414”插值算法。根据运动过程加速度连续且最小原则,采用遗传算法给出最优的两个时间节点。通过MATLAB进行仿真实验证明了“414”多项式插值方法能够使关节加速度变化更加平稳,解决了三次多项式插值算法不能约束加速度和五次多项式插值算法加速度过大的问题,降低了传动机构的冲击。

斜尖针穿刺软组织建模及针尖轨迹预测

在经皮穿刺过程中,当带斜尖的针穿刺软组织时,针与其周围组织相互作用,导致针体产生弯曲变形,针尖偏离预定方向,进而直接影响穿刺手术的定位精度。将针穿刺软组织的过程视为准静态过程,并进行离散化,建立针-组织相互作用模型。在该模型中,考虑到软组织的非线性与各向异性,将针视为由一系列非线性弹簧支撑的悬臂梁,且各点的弹簧刚度彼此不同。建立针-组织相互作用中的摩擦力及切割力模型,借助于穿刺实验,将穿刺力分解为摩擦力和切割力,进而获得力模型中的各个参数。基于虚拟非线性弹簧模型和穿刺力模型,根据最小势能原理,采用瑞利-里兹法预测针的偏转,进而获得进针过程中针尖的轨迹。仿真及实验结果表明,该模型能够精确地预测针尖位置,为穿刺路径规划提供理论依据。