基于 GPU 加速技术的 C 形臂 Cone Beam CT 三维 图像快速重建方法

平板探测器技术的发展使得锥形束计算机断层扫描技术(Cone Beam Computerized Tomography,CBCT)成为一种重要的成像技术,有着十分广泛的应用.基于C形臂的CBCT,除了具有CBCT的技术优势外,还特别适合在影像引导介入手术中应用.然而,如何在满足手术实时性要求的同时获得高分辨率高质量的三维断层图像,仍是个十分具有挑战性的课题.文章提出一种基于GPU加速技术的C形臂CBCT三维图像快速重建方法:在算法层面应用GPU并行加速技术对重建算法进行优化,在系统层面通过设计分布式系统和延迟隐藏机制,大大提升了由二维投影图像重建三维体数据的效率.在保持重建精度的前提下,优化后的GPU加速的FDK算法极大地提升了重建过程的计算效率.延迟隐藏机制进一步提升了系统的运行效率.在使用90帧投影时,系统效率提升了26%,重建延迟加速了2.1倍;当使用120帧投影时,系统效率提升39%,重建延迟加速达到3.3倍.     

一种用于可形变对象操作的动力学模型隐式求解方法

机器人操作可形变对象在多类场景中具有重要的应用需求。然而,对象复杂的高维动力学模型导致难以准确、快速地计算其形变。本文建立了一种基于交替方向乘子法的对象形变动力学模型快速、准确、隐式优化求解方法。该方法以通用对象几何模型为输入创建有限元模型,并分别构建材料本构势能函数和操作及碰撞交互单元的位置约束能量函数。随后,采用动力学投影方法构建基于交替方向乘子法的两项优化求解问题,最终快速、准确地计算对象在机器人操作下的形变。数值实验表明,所提出的方法能够在保证相对形变计算误差低于5%的条件下,实现高于24帧/秒的物理形态更新。针对实际应用场景,对所提出的方法开展了从形变仿真预测到在线操作执行的量化评估以及全局约束环境下的离线规划和仿真应用验证。     

口腔正畸弓丝矫治器自动制备成形中的 回弹补偿方法

在传统的口腔正畸临床治疗中,弓丝矫治器主要依赖于正畸医师手工弯制来完成,这不仅要求医师有长时间的训练过程,同时难以达到理想的个性化及精度要求,也增加了患者复诊次数及椅旁等待时间。据此,我们研发机器人系统来实现自动化的正畸弓丝矫治器制备。其中的一个难点问题是,弓丝材料的高弹性引起的回弹现象严重影响了弓丝矫治器的成形精度。因此,提出一种基于过弯预补偿模型和回弹力在线检测的过弯补偿方法,来消除弯制过程中的弓丝回弹现象。该方法首先通过一个自行设计的弯制回弹装置测量回弹前后的角度差,并将回弹后的角度作为目标成形角,以此建立成形角过弯量预补偿模型;然后通过力传感器进行弓丝回弹力在线检测,建立基于零力状态判断的自动弯制控制方法。上述方法在所研发的弓丝弯制机器人系统中进行弯制实验测试。结果表明,它能够最大限度地减小回弹效应,实现满足临床精度要求的正畸弓丝自动弯制成形。     

基于DDR IP核视频图像缓存的设计与实现

在现代图像采集显示系统中,常常需要用到大容量、高速度的存储器,DDR为当前存储器应用的主流.采用了64 bit数据位宽的DDR IP核利用DDR的双倍数据传输速度的优点并结合了双口RAM的高速缓存特点,基于Ahera公司的Cyclone Ⅲ系列FPGA开发板在两种平台下实现了数据传输和图像缓存,并使用逻辑分析仪Sign...     

基于环境特征和随机方法的柔性针路径规划

针对柔性针软组织穿刺路径规划问题,提出了一种基于环境特征和随机方法的规划算法。该方法采用单轮车模型,运用快速搜索随机树算法得到样本路径,再基于路径长度、弧段数、安全度及障碍物风险分级相结合的路径评估函数,得到最优路径。在路径生成过程中,医生可根据临床经验设置评估函数的权重系数及判断障碍物的风险等级,以适用不同组织的穿刺环境。进行复杂环境下柔性针软组织穿刺路径规划仿真,结果表明该方法环境适用性强,算法交互性好,具有较好的应用潜力。     

机器人辅助腹腔介入治疗的空间运动约束及控制策略

描述了机器人辅助腹腔介入治疗中的手术规划模型和虚拟夹具（VF）方法,研究了引导型和障碍型两 类虚拟夹具的空间运动约束生成方法以及基于导纳控制的综合控制策略．通过建立引力势场和参考方向实现了对控 制对象的引导,通过建立斥力势场实现了空间避障（如腹腔内血管及肋骨）,从而为手术器械的运动及定位提供了 有效的辅助作用．VF 的刚度系数可以调节空间运动约束的苛刻程度．单个VF 和腹腔3 维空间中多个VF 的仿真实 验验证了空间运动约束和控制算法的有效性．本文的方法适用于类似的遥操作和人机协作系统．     

面向仿人机器人自然步态规划的人体步行实验分析

自然步态规划方法是实现仿人机器人步态柔顺和能量优化的可行方法,该方法要求对人体步行及其平衡策略进行定量研究．本文分析自然步态规划方法的原理,建立了一套快捷有效的人体步态测试系统,并通过实验建立了人体步行的参数化数据库．实验结果揭示了人体步行的参数化特征及其平衡策略,对于仿人机器人的自然步态规划及控制提供了理论指导．结论特别指出,仅仅通过规划的方式实现仿人机器人的自然步态是不完备的,自然步态的实现必须同仿生控制策略相结合．同时实验结论对于仿人机器人的本体优化设计也提供了参考．     

主从同构穿刺手术机器人遥操作控制策略研究

文章在分析了穿刺机器人系统功能需求的基础上,搭建了主从遥操作系统的半实物仿真平台。基于等效微分变换的思想,提出雅克比矩阵(Jacobian Matrix)方法和比例微分(Proportional-Derivative,PD)控制律的联合控制方法。通过设计数字滤波器来消除外科医生的手部低频抖动对穿刺手术机器人精度的影响。实验结果表明从机器人末端执行器在笛卡尔空间坐标下能够精确快速安全地跟随主机器人末端执行器的位置变化,并且主机器人端的手部抖动能够被消除。     

一种用于刚软混杂机器人仿真的耦合模型

针对已有的机器人仿真平台无法直接用于刚软混杂机器人仿真的问题,提出了一种用于刚软混杂机器人仿真的刚软耦合模型.该模型通过一个中间过渡层将现有的刚体机器人仿真平台和软体机器人仿真平台的底层物理模型耦合起来,使得现有的2类仿真平台可以在同一架构下完成刚软混杂机器人的仿真.在机器人操作系统下,采用Gazebo和SOFA仿真平台开发了基于刚软耦合模型的刚软混杂机器人仿真系统.通过单个软体气动执行器弯曲过程的仿真与样机对比实验以及刚软混杂机器人多物体抓取仿真实验验证了所提出的耦合模型用于刚软混杂机器人仿真的有效性.     

机器人辅助介入治疗系统的精度实验研究

精度是机器人辅助介入治疗系统的重要指标之一,受到图像导航子系统精度、介入机器人子系统精度和随机误差的综合影响。在对系统误差进行分析的基础上,一系列精度实验证明所开发的机器人辅助介入治疗系统的精度可以满足腹腔穿刺手术的医学要求。根据实验结果提出了提高系统精度的若干措施,为此类系统的设计和改进提供了依据。