机器人辅助靶向穿刺手术关键技术综述

以柔性针为穿刺工具,针对软组织建模理论与方法、针穿刺路径规划、呼吸运动抑制与同步跟踪、穿刺导航与靶点追踪控制等手术关键技术,综述国内外机器人辅助针穿刺技术领域的研究现状。指出穿刺手术目前存在的技术难点:穿刺路径的快速、最优规划和穿刺针的精准控制。提出针-软组织相互作用建模、不确定性和复杂约束条件下的穿刺控制以及穿刺针末端力感知问题是机器人辅助靶向穿刺领域未来的研究方向。     

CT导航下的机器人辅助穿刺定位方法

针对机器人辅助穿刺中病灶定位系统价格昂贵、穿刺针全向定位机构结构复杂等问题,分别提出了CT导航下病灶定位方法和穿刺针全向定位方法。基于坐标变换理论,病灶定位方法由3个不共线标记点在CT和机器人坐标系的坐标数据辨识出2个坐标系之间的位置关系,然后由CT下的病灶坐标实现病灶在机器人下的定位。全向定位方法结合病灶的定位结果和机器人运动学,通过软件控制实现穿刺针在调整自身姿态时仍始终指向所定位病灶位置,为病灶穿刺提供安全的进针点和入刺角度。搭建含UR机械臂的6-DOF辅助穿刺系统,并在CT导航下对患者模型进行病灶和穿刺针的定位实验,实验结果表明:病灶定位误差在3 mm以内,与基于5个标记点的最小二乘病灶定位法精度相当,但定位效率提高约40%,其中病灶定位方法计算误差为1.43 mm,证明利用软件代替复杂机构的穿刺针全向定位方法是可行的。本文建立的病灶及穿刺针定位方法有效、准确,可为后续病灶自主定位和穿刺针路径规划提供理论基础。     

针穿刺软组织实验与穿刺力力学建模

通过针穿刺软组织实验,得出针穿刺软组织过程中穿刺力随位移变化的数据。在分析穿刺力与位移之间关系的基础上,选取非线性弹簧模型和二阶多项式模型对穿刺力进行最小二乘法拟合,得到穿刺力的力学模型。     

融合远心运动机构与串联机械臂的穿刺手术机器人系统研究

针对现有穿刺手术机器人远程中心运动(RCM)无法兼顾安全性、精准性及空间有效性的问题,提出结合RCM机构和多自由度串联机械臂,研制一款混联式穿刺手术机器人系统。首先,基于双平行四边形机构设计机器人末端RCM执行机构,用于保证穿刺手术过程中远程中心运动的精度与安全性;然后,结合串联机械臂搭建穿刺手术机器人系统以保证较大的工作空间;最后,设计混联式机器人与现有基于主动式RCM约束(ARCMC)的通用串联穿刺手术机器人系统RCM的定位精度对比实验。结果表明,与基于ARCMC的机型相比,所设计穿刺辅助机器人系统的远端中心俯仰运动和翻滚运动位置误差分别降低了52.6%和59.7%,且其工作空间也远高于基于被动式RCM约束(PRCMC)设计的穿刺手术机。由此可以证明所设计的混联式穿刺手术机器人系统在穿刺手术辅助方面的性能更好。     

"计算机辅助教学"与"机器人辅助教学"

围绕着提高教学质量、深化教育改革等问题论述了人工智能技术、计算机辅助教学和机器人辅助教学在教育领域中的应用;并探讨了培养学生动手实践能力的有效手段以及教育工作者与科技工作者今后进一步的努力方向.     

头皮静脉留置针反向穿刺输液的临床观察

为探讨临床输液时限长且血管条件较差的患儿采用头皮静脉留置针反向穿刺的可行性,以400例年龄从出生2天至2岁的患儿作为研究对象,随机分为试验组和对照组,选择头皮额前正中静脉、颞浅静脉进行穿刺,试验组采用留置针反向穿刺,对照组采用正向穿刺。比较了两组穿刺的成功留置率和穿刺成功后的回血率。结果显示,试验组成功留置率和成功穿刺后回血率均优于对照组,因此得出结论:临床输液时限长且血管条件差患儿,采用头皮静脉留置针逆向穿刺是一种有效可行的方法。     

基于模拟退火的机器人路径规划算法

本文利用模拟退火算法对该模型进行优化求解,为移动机器人寻找到一条最优路径。通过实验得到模拟退火算法有效提高了收敛速度,快速完成了移动机器人路径规划的任务。     

清洁机器人的路径规划法

由机器来代替人类劳动,是人类多年的梦想。随着科学技术的飞速发展,科研人员开始对家用清洁机器人嵌入式智能规划系统进行了深入研究,在智能动态路径规划上取得了具有实际应用价值的结论,实现了家用清洁机器人的自主行走、不重复走遍整个房间地面的功能。     

浅静脉留置针逆向穿刺的临床应用

目的:探讨浅静脉留置针逆向静脉穿刺在临床工作中的效果。方法:对106例不同患者使用浅静脉留置针逆向静脉穿刺留置。结果:操作留置顺利,治疗效果良好。结论:浅静脉留置针逆向静脉穿刺具有临床推广价值。     

基于遗传算法机器人路径规划研究

针对传统的机器人算法不是线性路径优化而导致不能较好地解决实际问题情况,介绍了采取遗传算法处理路径规划的方法解决路径规划问题的方案.     

An effective algorithm for needle tip displacement compensation in robot-assisted percutaneous surgery

This paper presents an automatic compensation algorithm for needle tip displacement in order to keep the needle tip always fixed at the skin entry point in the process of needle orientation in robot-assisted percutaneous surgery.The algorithm, based on a two-degree-of-freedom (2-DOF) robot wrist (not the mechanically constrained remote center of motion (RCM) mechanism) and a 3-DOF robot arm, firstly calculates the needle tip displacement caused by rotational motion of robot wrist in the arm coordinate frame using the robotic forward kinematics, and then inversely compensates for the needle tip displace-ment by real-time Cartesian motion of robot arm.The algorithm achieves the function of the RCM and eliminates many mechanical and virtual constraints caused by the RCM mechanism.Experimental result demonstrates that the needle tip displacement is within 1 mm in the process of needle orientation.     

Force modeling for needle insertion into soft tissue based on mechanical properties and geometric parameters

The force model during needle insertion into soft tissue is important for accurate percutaneous intervention.In this paper,a force model for needle insertion into a tissue-equivalent material is presented and a series of experiments are conducted to acquire data from needle soft-tissue interaction process.In order to build a more accurate insertion force model,the interaction force between a surgical needle and soft tissue is divided into three parts：stiffness force,friction force,and cutting force.The stiffness force is modeled on the basis of contact mechanics model.The friction force model is presented using a modified Winkler＇s foundation model.The cutting force is viewed as a constant depending on a given tissue.The proposed models in the paper are established on the basis of the mechanical properties and geometric parameters of the needle and soft tissue.The experimental results illustrate that the force models are capable of predicting the needle-tissue interaction force.The force models of needle insertion can provide real-time haptic feedback for robot-assisted procedures,thereby improving the accuracy and safety of surgery.     

菌落PCR方法筛选低能离子束辐射引起的IS插入突变

建立一种基于单拷贝基因的菌落PCR方法,筛选低能离子束辐射下IS因子插入引起的大肠杆菌lacI基因突变.PCR的优化结果显示,DMSO是一种合适的添加剂,而细胞的裂解方法和过程在菌落PCR中有比较关键的作用.经过测定,该方法的菌落PCR最低菌浓度约为1×105个菌.0.8%琼脂糖凝胶电泳结果显示,96个突变子的菌落PCR的成功率为95%以上.测序结果表明:两个由IS因子插入引起的突变被成功筛选.     

超静定梁挠曲线的一种新解法

研究了求解超静定梁挠曲线的一种新方法，通过满足梁的边界务件求解基本方程，从而得到单跨和多跨超静定梁的挠曲线方程。     

预应力混凝土梁疲劳挠度计算的神经网络模型

在分析多种疲劳损伤累积准则的基础之上,针对混凝土材料疲劳损伤发展受多种因素影响,损伤累积过程表现出非线性,难以用较准确的数学函数模型对其进行描述和分析的问题,建立了基于神经网络的预应力混凝土梁疲劳挠度计算的仿真模型,提出了3种仿真模拟方法,并在结合预应力混凝土梁疲劳实验结果分析的基础上,分析了各方法的精度、优势和适用范围.结果表明,3种仿真模型误差范围在5%~15%之间,可用于预应力混凝土桥梁结构抗疲劳设计及疲劳耐久性评估.建议根据不同情况需求选取合理高效的仿真模拟方法.     

作平面运动柔性梁的刚柔耦合动力学建模及分析

从连续介质力学理论出发,考虑变形产生的几何非线性效应对运动柔性梁的影响,在柔性梁的纵向、横向变形中考虑横向弯曲和轴向伸缩的耦合作用,得到了较为精确的变形模式,根据假设模态分析法对柔性梁进行离散,利用Kane方法建立平面柔性梁的刚柔耦合动力学方程.最后通过仿真算例验证了耦合模型的正确性和有效性.     

溶槽地段隧道地基梁的结构分析与优化设计

介绍隧道遇到溶槽时采用地基梁穿越的结构方案;利用Winkler地基上Timoshenko梁理论分析地基梁的极值内力、位置和变形;比较不同支承长度对地基梁弯矩、剪力分布的影响;提出极值弯矩比相等的支承长度优化目标;分析溶槽地段填充物的基床系数和沉降对地基梁受力的影响.研究结果表明:Winkler地基梁采用Euler梁理论分析时将低估地基的支承作用;2种不同地基介质的交界处是地基梁剪力最不利位置,最大负弯矩发生在支承段且靠近地基介质交界处,最大正弯矩发生在溶槽内;溶槽填充物的沉降显著改变地基梁受力,完全悬空时地基梁最不利正、负弯矩分别改变41.56和37.52倍,最不利正、负剪力分别改变32.67和12.55倍,设计和施工时应重视此问题.     

CFL增强RC梁疲劳寿命的试验推定

在对5组23根碳纤维薄板(CFL)增强RC梁(1 850mm×100mm×200mm)进行常幅弯曲疲劳试验的基础上,探讨了增强梁的跨中挠度、载荷循环次数、载荷等级以及疲劳寿命等变量之间的关系,得到了一组相应的线性关系式.据此提出了一种预测CFL增强RC梁疲劳寿命的新方法:在指定的疲劳载荷水平下,只需对CFL增强RC梁实施一些非破坏性的少量循环载荷试验(载荷循环次数推荐值为10~1 000),就能够较好地预测该载荷条件下CFL增强RC梁的疲劳寿命.     

三维梁系结构刚体元-柔性连接元动力分析模型

将多体动力学与结构动力学结合，研究适用于空间梁结构的刚体元－柔性连接元模 型进行动力分析。推导出一般情形下柔性连接元的广义弹簧系数矩阵和刚体元的质量矩阵都 是非对角的。引入零长度刚性元模拟多个刚体元汇交于一点和相邻刚体元轴线不在一直线上 等情形。给出的特征值问题算例证明了这种模型的有效，可推广应用于非线性动力响应分析。