机器人精准植入预弯型人工耳蜗电极与耳蜗迷路耦合机理研究

Perimodiolar electrode is a new type cochlear in the present-day world, its characteristic is that can holding the modiolus tightly, so the patient can accept more extensive, delicate and real sound frequency, but it increased the difficulty of implant surgery greatly. Robot Insert the perimodiolar electrode becomes an effective method, and the effective coupling mechanism of perimodiolar Electrode with the cochlear labyrinth becomes an urgent problem to be solved.. According to the characteristics of the perimodiolar electrode, bone attached 4-UPU robot insertion test system is designed, the hybrid position/ force control to achieve the coordinated control of insertion forces and insertion trajectory is established, test on cochlear model and specimens. Researching the coupling mechanism of the perimodiolar electrode arrays with the cochlear Labyrinth , illustrating the action and response mechanism of the perimodiolar electrode with the cochlear labyrinth, revealing the influencing factors and laws of the operating space, the insertion forces and the insertion speed of perimodiolar electrode, discussing the coupling relationship between the implantation parameters, optimizing the insertion control parameters, and planning the insertion path trajectory of perimodiolar electrode, in order to get the best implant effect for the patients.. The research is providing a important scientific support for the robot implant the perimodiolar cochlear electrode accurately.

预弯型电极是当今国际上一种新兴的人工耳蜗技术，其特点是能紧抱耳蜗蜗轴，使得患者能接受到更为广泛、细腻、真实的声音频率，但极大地增加了植入手术的操作难度。机器人进行预弯电极植入是一种有效的方法，预弯电极与耳蜗迷路的有效耦合机理成为迫切需要解决的科学难题。. 本课题根据预弯电极植入的特点，设计骨附着式4-UPU机器人植入测试系统，并建立力/位混合控制方法实现对植入力与植入路径协调控制，并在耳蜗模型及标本上进行试验测试；研究预弯电极对耳蜗迷路的耦合作用机制，阐明预弯电极对耳蜗迷路的作用机制，以及耳蜗迷路对预弯电极的响应机制；并揭示预弯电极植入空间、植入力和植入速度的影响因素和规律，以及各植入参数之间的相互耦合关系，优化得到最佳的电极植入控制参数组合，规划预弯电极植入路径轨迹；从而使得患者得到最佳的植入效果。. 本课题研究对机器人精准植入预弯型人工耳蜗电极提供了重要的科学依据。

本研究根据预弯电极植入所需要的自由度及工作空间范围，设计了一种基于4-UPU并联机构的预弯电极植入机器人，并在ARM主控制板上结合μC/OS-III实时系统设计的一种低成本、模块化、灵活控制的多轴运动控制系统，根据预弯电极植入时给定轨迹和速度的需求，对机器人运行轨迹及运动速度进行了规划研究，提出了利用NURBS曲线反算法设计精确到达示教点的轨迹规划方法，采用S型曲线速度规划算法对机器人运行速度进行前瞻速度规划，最后在设计的机器人运动控制平台上进行了实验验证。基于Mimics平台和MC算法重建耳蜗三维模型，进行人体耳蜗几何形态术前评估研究；搭建了人工耳蜗预弯电极机器人植入力检测系统，并进行了人工耳蜗预弯电极机器人植入力和手动植入力检测实验；设计了傅里叶级数补偿拟合方法，通过多组预弯电极形状采集实验，结合傅里叶级数补偿拟合方法，建立了预弯电极多刚体模型和预弯电极运动学模型，为实现机器人预弯电极术前植入路径规划奠定基础；针对虚拟环境下预弯电极的建模问题，引入虚拟质点及虚拟体弹簧对传统弹簧质点模型进行改进，提出了一种基于复合弹簧质点模型的预弯电极建模方法，为针对特定患者耳蜗鼓阶结构的机器人预弯电极术前植入路径规划及建立预弯电极虚拟植入系统奠定了基础。基于医学图像三维重建技术和计算机辅助几何设计方法，采集人体耳蜗标本，进行高精度Micro-CT扫描得到耳蜗CT图像；对建立的耳蜗模型进行重分割获取耳蜗不同角度截面图像，设计了改进的图像处理方法确定耳蜗截面鼓阶区域中心点，基于耳蜗三维重建模型和鼓阶通道中心线，得到机器人初始植入路径和人体耳蜗鼓阶数学模型；结合预弯电极植入实际情况，设计了基于HS算法的机器人植入预弯电极术前路径规划方案。