基于点云与位姿信息的机械臂辅助超声扫描系统研究

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在医疗领域,超声成像凭借其无创、非侵入性、诊断方便等优点,得到了广泛的应用。但在医疗落后地区(如小岛、渔村、贫困山区、偏远军事基地),由于缺少专业的超声影像医生,病人不能得到专业、及时的救治,进而错失黄金诊断时间。此外,长期单调且重复的动作使得超声影像医生患肩周炎、眼疾等职业疾病的风险大大增加,很大程度上影响了医生的正常工作和生活。基于上述问题,研究出一种新的超声扫描方式已经成为当下亟需解决的难题。近年来,机械臂辅助超声扫描技术因其简洁性与高效性逐渐进入人们的视野,在腹部、消融以及骶骨扫描等方面都进行了广泛地探索应用。应用过程中,暴露出许多问题和不足,如辅助扫描部位受限、时延大、位置精度低等。针对目前此研究方向中普遍存在的问题,本文通过结合机械臂、视觉及姿态信息,实现了一种远程机械臂辅助超声诊疗系统,旨在为临床进行远程超声扫描与诊断提供智能化平台。本文的主要贡献如下:(1)设计实现了一种基于点云的期望扫描区域定位方法。本方法主要解决已有研究中机械臂只能简单地沿着探查部位中线或特定直线进行扫描这一缺陷,通过提取超声医师在点云下选取的期望点的位姿信息,然后进行坐标变换,最后通过工作空间规划来控制机械臂运动到期望点。实验结果表明,基于点云的路径规划方法的响应时间与路径执行时间分别为0.6572s与0.9577s,三轴的位置误差均值约为2.1mm。相比之下,本系统的响应时间、位置误差等都优于其他方法,具备更好的应用性。(2)设计并实现一种基于位姿信息的机械臂实时跟随方法。本方法解决了已有机械臂辅助超声扫描方法探查部位受限等问题,通过位姿传感器实时捕捉医生的操作动作,采用机器人逆运动学算法实现机械臂的远程精准实时跟随。经过仿真实验与真实临床测试,本方法在机械臂端的位置跟随轨迹与虚拟探头的位置轨迹一致,且机械臂可完全复现出虚拟探头的运动姿态,X轴、Y轴以及Z轴的位置误差均值约为0.74mm、0.88mm和0.80mm,所需时延与跟随精度均优于已有研究,具备很好的普适性与应用前景。(3)设计并实现一个远程机械臂辅助超声诊疗系统。系统中通过查询机械臂端、专家端以及超声探头端的实时流地址,将三者的实时信息上传到系统中显示,方便医生实时观察远程机械臂的操作情况。同时可以实现多方专家在线对患者的超声影像进行分析与诊断,并可借助系统的智能诊断模块对机械臂实时采集的超声影像进行识别与处理,有助于推动临床智能医学的发展。
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