非共面放射治疗中的多机器人协作无碰撞轨迹规划与优化方法研究

To solve the problems that there might be collisions during the noncoplanar radiation therapy and the treatment period is too long, this project takes the noncoplanar radiation therapy robot system as the research object. Considering characteristics that the radiation therapy system works with multi-robot cooperation and has redundant degree of freedoms, a collision free trajectory planning algorithm is studied from the robot point of view in this project, to reach the requirements which include no collision during the therapy and minimum of time cost. In this project, we use the particle swarm optimization method to optimize the joints of the radiation therapy robot system. The redundant joints are used for the collision avoidance planning. Secondly, the rapidly-exploring random tree is generated between arbitrary radiation therapy angles. A collision free trajectory is selected from the tree. Finally, the radiation therapy schedule is optimized to achieve the shortest distance for robot movement, which results in the minimum of time cost of radiation therapy. In summary, the research in this proposal will offer a collision-free trajectory planning algorithm and optimization method for radiation therapy, which would be used for a better cancer treatment.

针对非共面放射治疗方法中可能发生的碰撞和治疗时间较长的问题，本项目以非共面放射治疗的机器人系统为研究对象，充分考虑其多机器人协作，自由度冗余等特点，以及无碰撞、时间最优等技术要求，从机器人的角度出发，研究一种无碰撞的放射治疗机器人轨迹规划方法。拟先采用粒子群优化的方法对由多机器人组成的放射治疗系统进行关节优化，利用冗余自由度带来的多维解空间实现碰撞的规避；其次采用快速生长随机树的方法，生成任意两组放射治疗角度之间的无碰撞轨迹；最后根据两两放射治疗角度之间的距离，提出一种机器人任务调度优化算法，生成路径最短的放射治疗角度顺序，使得放射治疗的时间最短。最终实现无碰撞的非共面放射治疗，为推广这类高效的肿瘤治疗方法奠定基础。

放射治疗是恶性肿瘤的主要治疗手段之一，它与手术治疗、化学药物治疗一起成为了肿瘤的三大治疗手段。放射治疗的基本目标是提高放射治疗的治疗增益比，即最大限度地将放射线的剂量集中到病变靶区内杀灭肿瘤细胞，同时降低对周围正常组织和危及器官的照射剂量，免受不必要的照射。最新的研究显示，非共面治疗方法相对于传统的共面放射治疗方法在靶区适形度、危及器官回避等方面具有非常明显的优势，从而受到医生的青睐。然而非共面放射治疗需要机器人从空间中不同的方向朝向医生绘制的靶区进行照射，这对放射治疗机器人的安全运动提出了较高的要求。机器人必须保障放射治疗过程中的机架、治疗床和病人不会发生碰撞，并且放射治疗时间最短以降低放射治疗过程中的风险，因此本项目从无碰撞的轨迹规划与放射点优化方面解决此类问题。..本项目首先设计了一套通用的机器人仿真平台，并对现阶段最常见的两款放射治疗机器人Varian的Truebeam和Accuray的Cyberknife进行建模和仿真；其次研究了机器人的无碰撞路径规划方法：通过均匀采样策略、最近邻搜索方法、局部路径规划方法等改进策略提高了PRM算法的搜索速度；通过添加了局部距离启发信息，信息素扩展，路径回溯与归并等策略，提高了蚁群算法的收敛速度；第三优化了放射治疗的顺序，将不同的放射治疗点的顺序优化建模为TSP问题，通过添加精英策略，局部搜索策略和相似替代策略提高了遗传算法的收敛速度；第四针对放射治疗机器人关节冗余的特点，提出了两级优化的方法，外层算法优化放射治疗点的顺序，内层优化机器人的关节角度，避开机器人的关节限制、奇异位形；最后提出了非共面放射治疗无碰撞轨迹规划和优化的整体方案，并设计等比例放射治疗机器人模型用于算法的验证。