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核磁手术机器人本体材料的核磁兼容性和切削加工性研究.rar

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    编号:20181030004740549    类型:共享资源    大小:52.43MB    格式:RAR    上传时间:2018-10-30
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    手术 机器人 本体 材料 兼容性 切削 加工 研究
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    天津大学硕士学位论文核磁手术机器人本体材料的核磁兼容性和切削加工性研究Research on Material’s MR Compatibility and Machinability of MR-guided Surgical Robot领 域:机械工程 作者姓名:吴正星 指导教师:姜杉 教授企业导师:张国华 高工天津大学机械工程学院二零一五年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名: 导师签名:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日I中文摘要由于核磁环境的特殊性,制造核磁环境下安全应用的核磁共振图像导航机器人必须选择一种合适的材料,以应对核磁环境下可能会产生的感应力、力矩以及伪影对手术机器人运行的平稳性、病人的安全性以及图像质量的不利影响。为此,本文针对影响核磁环境下的手术机器人最大的两种材料属性进行研究,即核磁兼容性和切削加工性。本文的主要工作内容可以概括为如下几个方面:首先,针对可能影响手术机器人在核磁环境下的运行状态和核磁仪成像质量,以及危及病人在手术过程中的人身安全的两种材料性质(即核磁兼容性和切削加工性)进行分析,分别找到三种最具代表性的因素作为实验检测项目,即选择感应力、感应力矩和伪影作为材料核磁兼容性的影响因素,选择切削力、表面粗糙度以及切屑形状作为材料切削加工性的影响因素,并选择四种不同的实验材料,其中包括金属黄铜和铝合金,以及非金属尼龙和聚甲醛。然后设计实验方案针对这六种影响因素量化测量材料的核磁兼容性和切削加工性,并记录实验数据为后续材料切削加工性和核磁兼容性综合评价做准备。然后,综合评定分析几种评价方法的优缺点,最终选择模糊评价法作为本文对应用在核磁环境下的手术机器人制造材料的评价方法。经过模糊综合评价法的基本计算过程对前期实验中的四种实验材料在核磁兼容性和切削加工性中的表现进行分析后,得出四种材料的评价等级从好到坏为:聚甲醛、尼龙、铝合金、黄铜。并且对每种材料的评价结果以及其在核磁兼容性实验和切削加工性实验中的表现进行了分析,并验证了评价方法的正确性。最后,本文针对不同磁导率的材料在加工成不同形状时在核磁仪中的成像伪影进行了研究。通过研究核磁共振的成像原理,建立了圆柱体形状的材料在核磁仪中的磁场扰动模型,并根据伪影的形成原理对伪影进行了模拟,最终建立了一种伪影的模拟方法。通过对比实验图像验证了本方法的正确性,并以此为根据研究了材料的长度、倒角形状、倒角大小和磁化率对伪影的影响,最终根据研究结果对核磁环境下的医疗器械的加工形状做出了合理性的建议。本文的研究成果对核磁环境下的医疗手术机器人制造材料的评价和选择具有实际的指导意义,对机器人设计人员的材料选择和结构设计具有参考价值,为核磁环境下的手术机器人的制造和设计提供了理论依据。关键词:MRI 导航机器人 切削加工性 核磁兼容性 伪影模拟IIAbstractDue to the particularity of nuclear environment, it's necessary to choose a kind of suitable material to manufacture a kind of MRI (magnetic resonance image, MRI) navigation robot. This kind of robot should be able to deal with the adverse factors, which including the induced force, torque and artifact, and avoid the influcnce to running stability of surgical robots, patient's safety and image quality. For this reason, this study the two material properties (MR compatiblity and machinablity), which influence the MR surgical robot's running. The main job content can be concluded as following.Firstly, this paper analyzes the two properties, i.e., MR compatiblity and machinablity. These two material property influence the running status of surgical robot in MR environment, and image quality of NMR (nuclear magnetic resonance, NMR) instrument. Then three factor which is the most representative is chosen for experiment item respectively, i.e., induced force, torque and artifact are chosen to be the influence factors of MR compatibility, and cutting force, surface roughness and chip shape are chosen to be the influence factor of machinability. At the same time, four kinds of materials are chosen for the experiment, including brass, aluminum, nylon and polyformaldehyde. At last, different experiments are designed to test MR compatibility and machinability and record the experiment data to make the preparation for the next step: comprehensive evaluation of material's MR compatibility and machinability.At last, this paper studies the artifact of material with different magnetic conductivity in different shape. After study the image-forming principle of NMR, this paper found the magnetic field model of cylinder material in NMR instrument, and simulate artifact according to the formation principle. Then verify this model by comparing the simulation result with experiment image. By modifying the parameters in this model, we found that the artifact get smaller as the magnetic susceptibility become smaller, as the size of chamfer get greater, as the shape of corner get smoother. Lastly, this paper gives some suggestion to the shape of medical apparatus and instruments working in magnetic resonance environment.The research achievement of this paper make sense for the evaluation and selection of material used for manufacturing MR surgical robot, and will provide theoretical basis for the design and manufacturing of surgical robot working in MR IIIenvironment.Key words:Magnetic resonance imaging; Machinability; MR compatibility; Artifact simulationIV目录中文摘要 .........................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................II目录 ..............................................................................................................................IV图清单 ..........................................................................................................................VI表清单 ........................................................................................................................VII字母注释表 ...............................................................................................................VIII第一章 绪论 ..................................................................................................................11.1 研究背景及意义 ..............................................................................................11.2 国内外研究现状 ..............................................................................................21.2.1 材料的核磁兼容性 ................................................................................21.2.2 材料的切削加工性 ................................................................................61.3 本文主要研究内容 ..........................................................................................9第二章 材料的核磁兼容性和切削加工性实验 ........................................................112.1 引言 ................................................................................................................112.2 核磁兼容性实验 ............................................................................................112.2.1 材料准备 ..............................................................................................112.2.2 感应力测量 ..........................................................................................122.2.3 感应力矩测量 ......................................................................................132.2.4 伪影测量 ..............................................................................................142.3 切削加工性实验 ............................................................................................162.4 实验结果与讨论 ............................................................................................182.5 小结 ................................................................................................................20第三章 模糊综合评价 ................................................................................................223.1 引言 ................................................................................................................223.2 数据前处理 ....................................................................................................223.3 模糊综合处理过程 ........................................................................................243.4 材料模糊评价计算过程 ................................................................................273.4.1 黄铜评价过程 ......................................................................................273.4.2 铝合金评价过程 ..................................................................................283.4.3 尼龙评价过程 ......................................................................................283.4.4 聚甲醛评价过程 ..................................................................................293.5 结果与讨论 ....................................................................................................30V3.6 小结 ................................................................................................................31第四章 核磁伪影模拟 ................................................................................................324.1 引言 ................................................................................................................324.2 核磁共振成像的原理 ....................................................................................324.3 磁场扰动的模拟 ............................................................................................324.4 MRI 伪影模拟 ................................................................................................354.5 伪影模拟和实验验证 ....................................................................................364.6 伪影尺寸与样品形状、尺寸与材料磁化率之间关系的讨论 ....................374.7 小结 ................................................................................................................39第五章 总结与展望 ....................................................................................................415.1 总结 ................................................................................................................415.2 展望 ................................................................................................................41参考文献 ......................................................................................................................43发表论文和参加科研情况说明 ..................................................................................48致谢 ..............................................................................................................................49VI图清单图 1- 1 铣削 核磁共振仪、材料核磁安全性与兼容性 ................................................4图 1- 2 MRI 导航机器人系统 ......................................................................................5图 1- 3 核磁安全性和兼容性问题 ................................................................................6图 1- 4 评价磨削加工性的递阶层次结构 ...................................................................7图 1- 5 神经网络的复杂度和收敛速度 .......................................................................8图 1- 6 四种模型的回归处理结果 ...............................................................................8图 2- 1 核磁兼容性实验材料 .....................................................................................12图 2- 2 感应力和感应力矩的测量示意图 .................................................................13图 2- 3 伪影测量实验装置 .........................................................................................15图 2- 4 伪影尺寸示意图 .............................................................................................15图 3- 1 机器人部件运动范围示意图 .........................................................................23图 3- 2 二阶模糊评价体系 ..........................................................................................23图 3- 3 四种材料的模糊评价集合 .............................................................................30图 4- 1 自旋回波单周期内的成像序列 .....................................................................34图 4- 2 圆柱体细分示意图 .........................................................................................34图 4- 3 不同成像平面上的伪影模拟结果和实验结果对比 .....................................36图 4- 4 磁导率和圆柱体高度对伪影的影响 .............................................................38图 4- 5 倒角尺寸与伪影大小的关系 .........................................................................38图 4- 6 三种倒角与其对应的纵向截面形状 ..............................................................39图 4- 7 伪影大小与三种倒角尺寸的关系 .................................................................39VII表清单表 1- 1 人工神经元结构 ................................................................................................8表 2- 1 材料属性 .........................................................................................................12表 2- 2 成像序列参数 .................................................................................................14表 2- 3 铣削参数 .........................................................................................................16表 2- 4 偏转角和转矩实验数据 .................................................................................17表 2- 5 棒状圆柱体产生的最大伪影 .........................................................................17表 3- 1 数据前处理结果 .............................................................................................23表 3- 2 和 的取值 ................................................................................................26ka表 3- 3 Karwowski[70]使用的隶属度表格 ...................................................................26表 3- 4 判断矩阵的元素取值及其含义 ......................................................................26表 3- 5 矩阵阶数所对应的 RI 值 ...............................................................................27表 3- 6 一阶和二阶判定矩阵 .....................................................................................27表 4- 1 成像序列参数值 .............................................................................................36VIII字母注释表英文字母U 模糊因素集合V 评价集合D 评判矩阵A 权重向量R 评价矩阵l 长度 (m)w 宽度(m)I 电流密度 (A m-2)mF感应力 (N)ka期望希腊字母方差max最大特征值r相对磁导率英文简写MRI magnetic resonance imagingMR magnetic resonanceCTRFMIPSONSGA-IIPSONNRBFFOVAHPRICRCISEFIDcomputed tomographyradio frequencymachinability indexparticle swarm optimizationNon-dominated sorting genetic algorithmparticle swarm optimization-based neural networkRadial Basis Functionfield of viewanalytic hierarchy processrandom indexconsistency Ratiocoincidence indicatorspin echofree induction decay
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