微创关节置换手术机器人双向精确感知与人机协作控制方法研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    U1713218
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    299.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0306.自动化检测技术与装置
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

To resolve postoperative stability and soft tissue balance of arthroplasty surgery under the requirements of personalized and accurate minimally invasive surgery (MIS), the issues of high resolution perception and human-robot synergic control method will be explored in this proposal. Accurate planning method of arthroplasty is proposed based on the joint stability analysis by calculating the stress distribution between prosthesis and host bone and the vibration mode of replacement joint, which is established based on analysis of joint anatomy and feature extraction of pathological tissue. The abilities of bi-direction high resolution perceptions between the human-robot and the robot-tissue are realized by identification the intents of surgeon and robot and the monitor the surgical status during operation. Then the accurate control strategy under the mode of human-robot synergy is proposed base on method of variable admittance control by analysis the influence to the robot accurate with the operation mode of passive follower of the robot. At last, a quantify analysis method of soft issues balancing is established by construct the bio-mechanical model to analysis the stress distribution of the joint plane with the aim to balance the soft tissues around the joint after operation. A basic theoretical system and affiliated technologies in desalination methodology of the arthroplasty surgery are built based on the methods and the processes we proposed in this study to promote surgical robot into clinic with more accuracy, more safety, more stability, and usability.
面向微创化关节置换手术个性化、精确化的临床需求,以解决机器人临床环境下术后关节稳定性、软组织平衡性为目标,针对人机器人共融环境下机器人对复杂手术过程的精确感知和人机协作机器人的精准操控问题,从个体关节的解剖学结构和病变组织特征提取研究出发,考虑假体形态对关节应力分布和振型影响,探究基于关节稳定性分析的关节置换手术精确规划方法;基于术中机器人对医生交互意图的辨识和机器人对手术操作状态的监测,实现微创化机器人手术术中双向交互精确感知能力;在此基础上,研究被动跟随操作方式对机器人精度控制的影响,基于变导纳控制方法,构建基于人机协作模式的机器人精准控制策略;以假体置换后关节周围软组织平衡为指标,在术中基于关节功能平面的应力分布情况,运用生物力学分析手段,构建软组织平衡性能的量化分析技术;从而形成关节置换手术机器人基础理论和共性关键技术体系,为推动准确、安全、稳定、可用的手术机器人走向临床奠定基础。

结项摘要

面向微创化关节置换手术个性化、精确化的临床需求,以解决机器人临床环境下术后关节稳定性、软组织平衡性为目标。提出基于有限元和关节疲劳的关节动力学分析与关节假体-骨界面稳定性分析方法,形成基于关节稳定性分析的个性化关节置换精确规划方法。提出基于3D-CNN和操作力的医生操作意图辨识方法,以及基于手术磨削力反馈的骨组织辨识方法,构建医生-机器人-关节磨削界面的双向感知模型,提升手术安全性。提出基于人体运动学模型的模糊模型参考学习控制可变导纳方法与基于人工势场的虚拟夹具模型,实现机器人在手术空间外与手术区域内高安全运动过程。基于关节运动模型和聚类分析的关节假体垫片设计方法,构建关节置换软组织量化分析模型。从而形成关节置换手术机器人基础理论和共性关键技术体系。经过系统集成,构建个性化关节置换手术机器人系统,并进行了初步的验证工作,为推动准确、安全、稳定、可用的手术机器人走向临床奠定基础。

项目成果

期刊论文数量(28)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(10)
专利数量(7)
A Novel Two-Stage Refine Filtering Method for EEG-Based Motor Imagery Classification.
一种基于脑电图运动想象分类的新型两级细化过滤方法
  • DOI:
    10.3389/fnins.2021.657540
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Frontiers in neuroscience
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
    Yan Y;Zhou H;Huang L;Cheng X;Kuang S
  • 通讯作者:
    Kuang S
Safety Control Method of Robot-Assisted Cataract Surgery with Virtual Fixture and Virtual Force Feedback
虚拟夹具和虚拟力反馈机器人辅助白内障手术安全控制方法
  • DOI:
    10.1007/s10846-019-01012-2
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Journal of Intelligent & Robotic Systems
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Yongfei Yang;Zhongliang Jiang;Yuanyuan Yang;Xiaozhi Qi;Ying Hu;Jianjun Du;Bing Han;Guiqin Liu
  • 通讯作者:
    Guiqin Liu
A topology optimization method of robot lightweight design based on the finite element model of assembly and its applications.
基于装配有限元模型的机器人轻量化设计拓扑优化方法及其应用
  • DOI:
    10.1177/0036850420936482
  • 发表时间:
    2020-07
  • 期刊:
    SCIENCE PROGRESS
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Sha, Liansen;Lin, Andi;Zhao, Xinqiao;Kuang, Shaolong
  • 通讯作者:
    Kuang, Shaolong
Model-Based Compensation of Moving Tissue for State Recognition in Robotic-Assisted Pedicle Drilling
基于模型的运动组织补偿,用于机器人辅助椎弓根钻孔中的状态识别
  • DOI:
    10.1109/tmrb.2020.3000299
  • 发表时间:
    2020-08-01
  • 期刊:
    IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL ROBOTICS AND BIONICS
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Jiang, Zhongliang;Lei, Long;Zhang, Jianwei
  • 通讯作者:
    Zhang, Jianwei
Detecting self-paced walking intention based on fNIRS technology for the development of BCI
基于fNIRS技术检测自定步调步行意图,促进BCI发展
  • DOI:
    10.1007/s11517-020-02140-w
  • 发表时间:
    2020-02
  • 期刊:
    Medical & Biological Engineering & Computing
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Chunguang Li;Jiacheng Xu;Yufei Zhu;Shaolong Kuang;Wei Qu;Lining Sun
  • 通讯作者:
    Lining Sun

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其他文献

3-PPSR并联微动机器人静刚度分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    荣伟彬
三杆六自由度并联微动机器人的工作空间分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    孙立宁;王乐锋;荣伟彬
  • 通讯作者:
    荣伟彬
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    哈尔滨工程大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    胡海燕;李伟达;李娟;孙立宁
  • 通讯作者:
    孙立宁
基于UT变换的放疗机器人标记点与肿瘤关联方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Wearable Sensors and Robots, Lecture Notes in Electrical Engineering
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张峰峰;豆梦;孙荣川;孙立宁
  • 通讯作者:
    孙立宁
一种面向放疗机器人的人体胸腹体表-肿 瘤呼吸运动模拟器
  • DOI:
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  • 发表时间:
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    现代制造工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王传洋;郁树梅;孙荣川;孙立宁
  • 通讯作者:
    孙立宁

其他文献

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孙立宁的其他基金

基于SEM的纳米器件制造中多机器人操作机理与自主协调控制研究
  • 批准号:
    61433010
  • 批准年份:
    2014
  • 资助金额:
    340.0 万元
  • 项目类别:
    重点项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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