考虑呼吸运动与交互力学的机器人辅助肝脏肿瘤精准穿刺方法研究

Liver tumor biopsy, ablation and other operations require high accuracy for puncture. Robot technology can help doctors achieve high-stability, high-precision tumor puncture. In the CT-guided robot-assisted liver tumor puncture surgery, the patient's breath-holding is affected subjectively, resulting in a deviation between the actual position and the planned position of the liver tumor in the puncture surgery. At the same time, the needle-tissue interaction during the puncture process leads to needle bending and target displacement. There is an urgent need for further research on robot-assisted precise puncture methods of liver tumors. This project considers two major factors including respiratory motion and needle-tissue interaction, establishes a model of patient-specific breath-holding process, proposes a precise positioning method for tumor targets under breath-holding condition; study the mechanism of needle-tissue interaction, and propose needle bending and target displacement prediction and compensation methods; study the joint stiffness adjusting method and admittance control strategy of pneumatically driven robot, and propose compliance control method for puncture surgery robot; finally, build a robot-assisted liver tumor puncture surgery test platform to verify the precise puncture method and compliance control method. The research results of this project will greatly improve the accuracy of liver tumor puncture, reduce the repetition rate of puncture, and have great significance in improving the success rate of liver cancer diagnosis and treatment.

肝脏肿瘤活检、消融等手术对穿刺精度要求很高，采用机器人技术可辅助医生实现高稳定、高精准的肿瘤穿刺。在CT引导下的机器人辅助肝脏肿瘤穿刺手术中，患者屏气受主观性影响，导致肝脏肿瘤在穿刺手术中的实际位置与规划位置存在偏差，同时穿刺过程中的穿刺针-软组织交互作用导致穿刺针弯曲和靶点偏移，因此亟需对机器人辅助肝脏肿瘤精准穿刺方法进行深入研究。本项目考虑呼吸运动与穿刺针-软组织交互两大因素，建立患者个性化屏气过程模型，提出屏气条件下肿瘤靶点精准定位方法；研究穿刺针-软组织交互作用机理，提出针体弯曲和靶点偏移的预测与补偿方法；研究气压驱动机器人的关节刚度调整方法和导纳控制策略，提出穿刺手术机器人柔顺控制方法；最后搭建机器人辅助肝脏肿瘤穿刺手术测试平台，对项目提出的精准穿刺及柔顺控制方法进行实验验证。本项目的研究成果将极大地提高肝脏肿瘤穿刺精度，降低重复穿刺率，对提高肝癌诊疗成功率具有十分重要的意义。

肝脏肿瘤活检、消融等手术对穿刺精度要求很高，采用机器人技术可辅助医生实现高稳定、高精准的肿瘤穿刺。在CT引导下的机器人辅助肝脏肿瘤穿刺手术中，患者屏气受主观性影响，导致肝脏肿瘤在穿刺手术中的实际位置与规划位置存在偏差，同时穿刺过程中的穿刺针-软组织交互作用导致穿刺针弯曲和靶点偏移，因此亟需对机器人辅助肝脏肿瘤精准穿刺方法进行深入研究。本项目考虑呼吸运动与穿刺针-软组织交互两大因素，提出了基于肿瘤呼吸运动估计模型的穿刺目标定位方法，实现了患者不同屏气状态下的肝脏肿瘤精准定位；提出了基于生物力学的穿刺针弯曲以及穿刺角度偏差估计方法，并在补偿穿刺针弯曲和穿刺角度偏差的基础上提出了考虑穿刺角度、入针长度以及轨迹与障碍物安全距离的多层组织穿刺路径规划与优化方法；提出了基于可变导纳的肝脏肿瘤呼吸运动补偿控制方法，实现了呼吸环境下穿刺手术机器人与肝脏组织交互的柔顺性和安全性；最后搭建了集图像导航、路径规划、机器人控制、呼吸运动模拟平台于一体的机器人穿刺验证平台，完成了算法的实验验证。本项目的研究成果将极大地提高肝脏肿瘤穿刺精度，降低重复穿刺率，对提高肝癌诊疗成功率具有十分重要的意义。