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微创血管介入手术机器人的主从交互控制方法与实现

奉振球 侯增广 边桂彬 谢晓亮 周小虎

奉振球, 侯增广, 边桂彬, 谢晓亮, 周小虎. 微创血管介入手术机器人的主从交互控制方法与实现. 自动化学报, 2016, 42(5): 696-705. doi: 10.16383/j.aas.2016.c150577
引用本文: 奉振球, 侯增广, 边桂彬, 谢晓亮, 周小虎. 微创血管介入手术机器人的主从交互控制方法与实现. 自动化学报, 2016, 42(5): 696-705. doi: 10.16383/j.aas.2016.c150577
FENG Zhen-Qiu, HOU Zeng-Guang, BIAN Gui-Bin, XIE Xiao-Liang, ZHOU Xiao-Hu. Master-slave Interactive Control and Implementation for Minimally Invasive Vascular Interventional Robots. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2016, 42(5): 696-705. doi: 10.16383/j.aas.2016.c150577
Citation: FENG Zhen-Qiu, HOU Zeng-Guang, BIAN Gui-Bin, XIE Xiao-Liang, ZHOU Xiao-Hu. Master-slave Interactive Control and Implementation for Minimally Invasive Vascular Interventional Robots. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2016, 42(5): 696-705. doi: 10.16383/j.aas.2016.c150577

微创血管介入手术机器人的主从交互控制方法与实现

doi: 10.16383/j.aas.2016.c150577
详细信息
    作者简介:

    奉振球中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室博士研究生.主要研究方向为手术机器人控制与系统, 医学图像处理.E-mail:zhenqiu.feng@ia.ac.cn

    边桂彬中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室副研究员.主要研究方向为医疗机器人, 柔性体建模与控制, 人机交互技术.E-mail:guibin.bian@ia.ac.cn

    谢晓亮中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室副研究员.主要研究方向为医疗机器人的开发与应用, 柔性医疗器械建模, 机器人控制, 信号采集与处理.E-mail:xiaoliang.xie@ia.ac.cn

    周小虎中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室硕士研究生.主要研究方向为手术机器人控制与系统, 人机交互.E-mail:zhouxiaohu2014@ia.ac.cn

    通讯作者:

    侯增广中国科学院自动化研究所研究员.主要研究方向为机器人控制, 智能控制理论与方法, 嵌入式系统软硬件开发, 医学和健康自动化领域的康复与手术机器人.本文通信作者.E-mail:zengguang.hou@ia.ac.cn

Master-slave Interactive Control and Implementation for Minimally Invasive Vascular Interventional Robots

  • 摘要: 微创血管介入手术是治疗冠心病的重要治疗手段, 手术中要求对导管、导丝等介入器械高精度递送.得益于机器人技术的高精度、可远程操作等特点, 血管介入手术机器人的研制受到了极大关注.在微创血管介入手术中, 按导管或导丝远端所处血管部位, 将介入器械递送过程分为三个阶段: 1) 主动脉阶段:导丝或导管远端位于主动脉, 需快速前送, 以减少X射线和造影剂的使用; 2) 冠脉入口阶段:导丝或导管远端进入冠脉, 此时需选择相应的病变冠脉分支; 3) 冠脉病变阶段:导丝或导管远端位于狭窄病变部位, 需要高精度操作才能使导丝或导管穿过狭窄病变.针对器械递送的不同阶段, 提出具有运动缩放的主从控制方法, 通过改变血管介入手术机器人主端和从端之间的运动缩放关系, 实现机器人从端对主端操作的放大、缩小或等比例复现.通过在微创血管介入手术机器人平台实验, 验证了机器人从端对主端操作缩放的可行性和有效性.通过操作时间和操作精度对比分析得到:在缩放因子为4时操作时间减少39.9%;在缩放因子为1/4时, 平移和旋转操作精度分别提高72.9%和77.1%.
  • 图  1  微创血管介入手术机器人活体动物实验场景图

    Fig.  1  In vivo animal trial setup of minimally invasive vascular interventional robot

    图  2  血管介入机器人的主从控制框图

    Fig.  2  Master-slave control diagram of vascular interventional robot

    图  3  Aurora电磁跟踪系统

    Fig.  3  The Aurora electromagnetic tracking system

    图  4  导引导丝、支架导管及电磁跟踪传感器

    Fig.  4  Experimental guidewire, catheter and electromagnetic tracking sensors

    图  5  实验场景图

    Fig.  5  Experimental setup

    图  6  不同比例因子下主端和导丝的平移距离

    Fig.  6  The distances of the master side and the guidewire in different scaling factors

    图  7  三维球空间内随机500个点引力加速度相对误差直方图

    Fig.  7  三维球空间内随机500个点引力加速度相对误差直方图

    图  8  不同比例因子下操作时间与误差对比

    Fig.  8  The comparison of time expense and error in different scaling factors

    表  1  机器人递送装置相关技术参数

    Table  1  Parameters of the catheter delivering device

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    表  2  不同递送阶段比例缩放策略

    Table  2  Motion scaling method for different delivery stage

    阶段 运动缩放因子 缩放效果
    第一阶段(主动脉) µ > 1, ψ > 1 放大
    第二阶段(冠脉入口) µ = 1, ψ = 1 等比例
    第三阶段(狭窄病变) µ < 1, ψ < 1 缩小
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    表  3  介入器械和传感器的规格尺寸

    Table  3  The dimensions of the interventional devices and sensors

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出版历程
  • 收稿日期:  2015-09-10
  • 录用日期:  2016-01-04
  • 刊出日期:  2016-01-25

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