第 1 章  緒   論 

1.1 課題的來(lái)源及研究的背景和意義 
 冠狀動(dòng)脈性心臟病（Coronary Heart Disease，CHD）被稱(chēng)作缺血性心臟病，又簡(jiǎn)稱(chēng)為冠心病，它是由于供應(yīng)心臟自身的冠狀動(dòng)脈血管形成粥樣斑塊引起血管腔阻塞或狹窄而造成心肌缺氧、缺血或壞死[1,2]，如圖 1-1 所示[3]。在目前治療冠心病的方法中，冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)（CABG），又稱(chēng)搭橋術(shù)，是一種非常有效的方法，此種方法相當(dāng)于在阻塞的道路上搭了一座橋，使用此種方法對(duì)術(shù)后冠心病患者的生存率及術(shù)后生活質(zhì)量有明顯的提高和改善[4]。 冠狀動(dòng)脈旁路移植手術(shù)的主要治療方法是取病人自身的血管（如胸廓內(nèi)動(dòng)脈、下肢的大隱靜脈等），然后將其分別接在堵塞了或狹窄的冠狀動(dòng)脈的兩端，將主動(dòng)脈和狹窄的動(dòng)脈的一端連接起來(lái)，使血液可以繞過(guò)動(dòng)脈的堵塞或狹窄區(qū)段，到達(dá)缺血的部位，使缺血的心肌得到血液供應(yīng)，從而使心絞痛癥狀得到一定的緩解，改善心臟功能[5,6]，如圖 1-2 所示[7]。 傳統(tǒng)的體外冠脈搭橋術(shù)在手術(shù)過(guò)程中需要使用體外心肺功能儀代替心肺功能，在心臟被迫停止跳動(dòng)時(shí)，由體外心肺功能儀代替心臟完成對(duì)身體血液和氧氣的供應(yīng)循環(huán)，，這種傳統(tǒng)的手術(shù)方式由于使用體外心肺儀會(huì)給病人帶來(lái)術(shù)后并發(fā)癥，同時(shí)增加了患者的住院時(shí)間和費(fèi)用。 冠狀動(dòng)脈旁路移植手術(shù)（CABG）需要外科醫(yī)生在快速、高幅度運(yùn)動(dòng)的心臟表面上進(jìn)行操作，在心臟不停跳的情況下不借助外部工具很難手工完成。機(jī)器人輔助手術(shù)技術(shù)的出現(xiàn)突破了這一局限性。 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，機(jī)器人輔助手術(shù)技術(shù)的使用給外科手術(shù)帶來(lái)了更短的運(yùn)行時(shí)間和更低的成本，是對(duì)非體外循環(huán)冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)術(shù)的一種增強(qiáng)方式。在冠狀動(dòng)脈旁路移植手術(shù)（CABG）中，手術(shù)輔助機(jī)器人從手主要用來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤心臟表面手術(shù)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，使得手術(shù)機(jī)器人從手和心臟表面手術(shù)點(diǎn)保持一個(gè)相對(duì)靜止的狀態(tài)，輔助醫(yī)生在一個(gè)靜止的視覺(jué)狀態(tài)下，完成搭橋手術(shù)[8]。 
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)在搭橋術(shù)（CABG）中，在不開(kāi)胸情況下完成先天性冠心病的治療，避免了常規(guī)手術(shù)的切口創(chuàng)傷和體外循環(huán)，另外還可以在自身心臟跳動(dòng)下進(jìn)行搭橋術(shù)，最大程度上避免了對(duì)身體的創(chuàng)傷。在心臟外科手術(shù)這一領(lǐng)域，機(jī)器人輔助技術(shù)首先出現(xiàn)在冠狀動(dòng)脈旁路移植手術(shù)（CABG）中，同時(shí)應(yīng)用最廣、技術(shù)最為成熟的機(jī)器人輔助技術(shù)也出現(xiàn)在這一領(lǐng)域。 1998 年五月，法國(guó)用機(jī)器人實(shí)施首例冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)獲得成功[9]，這臺(tái)手術(shù)使用心肺功能儀簡(jiǎn)化了手術(shù)復(fù)雜度，不久之后也成功執(zhí)行了第一個(gè)非體外循環(huán)的冠狀動(dòng)脈旁路移植手術(shù)；國(guó)內(nèi)首例機(jī)器人輔助微創(chuàng)冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)由復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院中山醫(yī)院在 2000 年 11 月完成，使用的是當(dāng)時(shí)國(guó)際最先進(jìn)的伊索聲控機(jī)器人。目前，在商業(yè)上成功運(yùn)用于心臟外科手術(shù)，尤其是冠狀動(dòng)脈搭橋手術(shù)，分別是 Intuitive Surgical  公司的 Da VinciT M手術(shù)系統(tǒng)和來(lái)自美國(guó) Computer Motion  公司的 ZEUSTM手術(shù)系統(tǒng)[10]。兩臺(tái)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)均是主從遙操作裝置，然而當(dāng)時(shí)的手術(shù)系統(tǒng)也還不能做到心臟跟蹤和相對(duì)運(yùn)動(dòng)消除，一個(gè)被動(dòng)的穩(wěn)定儀被使用在心臟上來(lái)執(zhí)行非體外循環(huán)的冠狀動(dòng)脈旁路移植手術(shù)[11,12]。 
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第 2 章  基于方程誤差辨識(shí)器的心臟信號(hào)建模

機(jī)器人輔助的非體外循環(huán)冠狀動(dòng)脈搭橋手術(shù)是心臟外科手術(shù)中的一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)高帶寬、準(zhǔn)周期和不穩(wěn)定等的特點(diǎn)使得消除心臟運(yùn)動(dòng)和手術(shù)機(jī)器人從手的相對(duì)運(yùn)動(dòng)成為搭橋手術(shù)的重要基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)精確的實(shí)時(shí)高速跟蹤控制，高精度的心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)是前提基礎(chǔ)和重要保證。截至目前已有一些關(guān)于心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)建模的研究成果[26, 31-38]，閱讀文獻(xiàn)可發(fā)現(xiàn)針對(duì)心臟建模的研究?jī)?nèi)容基本一致，主要包括分析心臟信號(hào)、提出心臟信號(hào)模型、辨識(shí)模型參數(shù)等。 目前已有的一些關(guān)于心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)建模研究成果，閱讀文獻(xiàn)可發(fā)現(xiàn)，研究者在大多數(shù)情況下首先對(duì)于視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)或者位移傳感器采集到的心臟運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析和處理[20]1，然后用處理后的這些數(shù)據(jù)來(lái)作為參考數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)器人的跟蹤控制算法，一般假定手術(shù)過(guò)程中心跳頻率與呼吸頻率是保持不變的，并沒(méi)有考慮手術(shù)過(guò)程中呼吸運(yùn)動(dòng)和心跳運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)頻率出現(xiàn)變化的情況。但在真實(shí)存在的心臟手術(shù)中，心跳頻率并不是保持不變的，而且采集得到的數(shù)據(jù)必須以實(shí)時(shí)在線的方式進(jìn)行處理，并將其傳給手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的控制器作為參考輸入來(lái)達(dá)到跟蹤控制的目的。 本章主要研究?jī)?nèi)容包括對(duì)采集得到的心臟數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，引用耦合的時(shí)變雙傅里葉級(jí)數(shù)模型對(duì)心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行建模，最后采用自適應(yīng)辨識(shí)器的方法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線辨識(shí)。 

2.1 心臟信號(hào)分析
本次研究用于跟蹤的心臟運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)是由美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的 Cavusolgu教授采集的成年豬的心臟運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，采樣頻率為 257 Hz，通過(guò)基于壓電晶體的聲學(xué)測(cè)微系統(tǒng)獲得。 圖 2-1 所示為成年豬的心臟運(yùn)動(dòng)在三個(gè)坐標(biāo)軸方向的運(yùn)動(dòng)信息。在 60  s信息收集周期中，根據(jù)心電圖計(jì)算可得成年豬的心跳大概是 120 次每分鐘。由圖中可以看出心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)主要有兩種周期大約為 3.0 s 和 0.5 s 的主頻信號(hào)組成，x 方向心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)相對(duì)于平均位置的位移的峰值為 5 mm，y 方向和 z 方向相對(duì)于平均位置的位移的峰值為 8 mm。 
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2.2 方程誤差辨識(shí)器的實(shí)時(shí)估計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)真實(shí)手術(shù)過(guò)程中對(duì)心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤控制，并針對(duì)在手術(shù)過(guò)程中心跳頻率和呼吸頻率存在變化的情況，需要建立實(shí)時(shí)的心臟運(yùn)動(dòng)模型。根據(jù)上述頻譜分析，擬采用頻率域諧波合成方法進(jìn)行建模，引用文獻(xiàn)[45]的建模方式，將心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)表示為時(shí)變的傅里葉級(jí)數(shù)模型，采用方程誤差辨識(shí)器對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線辨識(shí)。 t 時(shí)刻，心臟表面運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)表示為 d=[x,y,z]，運(yùn)動(dòng)點(diǎn)在三個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)模型可以表示為傅里葉級(jí)數(shù)模型，簡(jiǎn)便起見(jiàn)，這里只表示其中的一個(gè)坐標(biāo)分量。以 y 方向的心臟信號(hào)為例進(jìn)行建模分析。y 方向的運(yùn)動(dòng)信號(hào)可以表示如下： 根據(jù)上一節(jié)功率譜密度分析可知，信號(hào)中心臟跳動(dòng)頻率為 2 Hz，本次實(shí)驗(yàn)所用信號(hào)的采樣頻率為 257 Hz（采樣周期為 0.003892 s）。為了保證跟蹤控制器能夠?qū)⒉杉玫降臄?shù)據(jù)無(wú)延時(shí)的轉(zhuǎn)換為控制量傳遞給手術(shù)機(jī)器人從手，要求處理心臟信號(hào)的時(shí)間不能超過(guò)采樣周期的1/10，這就要求心臟信號(hào)的建模以及在線參數(shù)辨識(shí)的時(shí)間需要保持在 0.38  ms 以?xún)?nèi)已保證機(jī)器人從手能夠無(wú)延時(shí)的完成對(duì)心臟信號(hào)的跟蹤，以保證后期跟蹤控制的精度。 
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第 3 章  PHANTOM 手術(shù)機(jī)器人從手滑�？刂� .... 20 
3.1 PHANTOM 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 ..... 20
3.2 PHANTOM 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型 ..... 22 
3.3  基于反饋線性化的積分滑模控制......... 24 
3.3.1  控制器設(shè)計(jì) ........ 25 
3.3.2  仿真結(jié)果及分析........ 27 
3.4  基于反饋線性化的非線性積分滑�？刂� ..... 30 
3.4.1  控制器設(shè)計(jì) ........ 31 
3.4.2 仿真結(jié)果及分析 ........ 32 
3.5  本章小結(jié) ....... 36 
第 4 章  PHANTOM 機(jī)器人從手半實(shí)物仿真及分析 .......... 37 
4.1  實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建 ....... 37 
4.2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 .... 38 
4.2.1  線性積分滑�？刂� .... 38 
4.2.2  非線性積分滑模控制 ....... 40 
4.3  本章小結(jié) ....... 42 

第 4 章  PHANToM 機(jī)器人從手半實(shí)物仿真及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建 

本章按照上一章的仿真順序?qū)煞N控制算法在廣泛用于醫(yī)療手術(shù)輔助機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)平臺(tái) PHANToM Premium 1.5A 上實(shí)現(xiàn)。如圖 4-1 所示，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由手術(shù)機(jī)器人從手、虛擬的心臟跟蹤系統(tǒng)和和控制算法實(shí)現(xiàn)三部分組成。 由于沒(méi)有實(shí)際的心臟運(yùn)動(dòng)模擬器，本實(shí)驗(yàn)中基于 OpenHapticsTM  Toolkit建立虛擬的心臟跟蹤系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)跟蹤控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖如圖 4-2 所示，將預(yù)先采集好的活體心臟信號(hào)傳遞給虛擬心臟模型，模擬實(shí)際的活體心臟運(yùn)動(dòng)；同時(shí)建立心臟信號(hào)模型并將該模型作為控制器參考輸入，通過(guò)控制器系統(tǒng)計(jì)算出控制力矩，傳遞該控制力矩給實(shí)際的 PHANToM 機(jī)器人，將實(shí)際的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)末端位置映射到虛擬的心臟運(yùn)動(dòng)環(huán)境中，通過(guò)虛擬跟蹤系統(tǒng)觀察跟蹤效果。 本節(jié)基于積分滑�？刂葡到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先針對(duì)參考輸入信號(hào)模型計(jì)算得出機(jī)器人的控制輸入力矩，然后基于 QuickHaptics  Micro  API 輸出控制量給機(jī)器人同時(shí)采集當(dāng)前機(jī)器人的位置信息和速度信息 x ,x。 

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結(jié)   論

本文從理論與實(shí)踐兩方面對(duì)心臟手術(shù)中手術(shù)機(jī)器人與心臟表面點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)消除的跟蹤控制算法進(jìn)行了研究，得到下面的結(jié)論。 
（1）針對(duì)心臟運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)基于時(shí)變雙傅里葉級(jí)數(shù)建立心臟運(yùn)動(dòng)模型和心跳頻率與呼吸頻率在手術(shù)過(guò)程中變化的這一情況，通過(guò)方程誤差辨識(shí)器原理實(shí)時(shí)辨識(shí)模型參數(shù)，估計(jì)心臟信號(hào)，為后期的跟蹤控制系統(tǒng)研究帶來(lái)了很大方便，避免了離散點(diǎn)求二次微分可能帶來(lái)的誤差。 
（2）針對(duì)非線性的手術(shù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型和多關(guān)節(jié)機(jī)器人這種典型的不確定性機(jī)器人系統(tǒng)，在基于反饋線性化設(shè)計(jì)控制器的基礎(chǔ)上，使用具有較強(qiáng)魯棒性的滑模控制策略針對(duì)不確定性對(duì)手術(shù)機(jī)器人從手跟蹤控制，改善跟蹤效果。仿真中，非線性積分滑模控制算法的跟蹤效果最好，跟蹤誤差的均方根值可以達(dá)到 0.1  mm 以?xún)?nèi)，非線性積分滑模控制算法適合跟蹤心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)；在硬件實(shí)驗(yàn)中，非線性積分滑模控制算法的跟蹤效果也是最好的，但跟蹤誤差的均方根值達(dá)到 0.6 mm 左右，不能達(dá)到跟蹤目標(biāo)。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：45927