封闭式核磁图像导向近距离粒子放射治疗手术系统关键技术研究

核磁共振图像导向手术能利用图像信息准确反映病患体内病灶位置和结构，特别适用于软组织手术。由于核磁仪器的结构、图像质量和环境问题，目前，医务人员参与的开放式核磁图像导向手术还无法大范围现场实施。鉴于此，本课题旨在研究基于封闭式核磁共振环境下机器人辅助近距离粒子放射治疗手术系统的设计和控制问题。其中，针对核磁兼容性，主要对手术系统执行机构的材料，驱动方式，空间结构进行研究。针对微创软组织手术中使用的细长手术器械易弯曲变形的特点进行手术器械的蔽障和路径规划研究。针对核磁环境下远距离机器人辅助手术系统控制的需要进行高精度快速响应气动控制系统的研究。搭建系统的实验平台，进行仿生物软组织和动物的实验验证。课题研究将有效应用非线性动态接触算法、势能场理论和非线性气动控制理论，建立一套用于核磁图像导向的手术辅助机器人的设计、控制、规划的理论框架体系，对于指导该类机器人系统的建造具有重要意义。

近距离粒子植入微创放射治疗是近年来发展起来的一项治疗实体癌症的重要手段，其具有靶区相对固定，照射剂量集中，微创和治疗效果好等优点，逐步被医生和患者接受。本项目主要围绕封闭式核磁共振图像导航的机器人辅助近距离例子放射治疗手术系统的设计、控制及手术规划问题开展研究。主要解决如下问题：.(1).对核磁兼容性进行手术系统的空间兼容性、材料兼容性、驱动控制兼容性进行的理论和实验研究。以此为依据，科学的进行实时核磁图像导航下手术执行机构空间机构的设计，制造材料和驱动控制方式的选择。.(2).结合空间拓扑分析及模块分层设计方法设计执行机构，并对机构进行运动学分析、动力学分析、尺寸综合优化分析，实现机构的空间兼容性，确保执行机构具有优良的灵活性、稳定性、可操纵性。.(3).建立气动驱动元件的数学模型，结合滑膜控制、模糊算法等智能控制理论实现了远距离高精度气动控制，在高核磁场强环境下能实现准确、快速响应的高精度气动控制，进一步增强该手术执行机构的实用性，为核磁图像导航下放射性粒子植入提供可能。.(4).采用基于势能场理论和非线性变形理论建立软组织-针体相互作用的数学模型，通过动态非线性接触算法对模型求解，解决软组织非线性变形与细长手术器械弹性变形影响粒子植入精度的问题，同时规划植入轨迹，避开神经等重要组织器官。为实现进行准确穿刺的同时，使患者得到最大程度的保护，为实现真正的微创手术治疗奠定坚实基础。.(5).搭建该手术系统的机械及驱动控制样机，搭建实验台进行系统核磁兼容性实验、控制算法和轨迹规划算法的理论验证，完成仿生物组织和动物阶段的实验。实现理论与实验相结合，验证理论研究的有效性，进一步优化理论体系，为促进该手术系统早日实现临床应用打下坚实基础。. 综上所述，通过本课题研究逐步建立一套用于核磁图像导向的手术辅助机器人的设计、控制、规划的理论框架体系。课题对于指导核磁图像导航微创手术机器人系统的研究具有重要意义。研制样机1台，发表了高水平论文36篇，其中SCI检索21篇，EI检索10篇。申请发明专利10项，授权4项，培养博士生2人，硕士生10人。