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

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 Materials 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AbstractDue to the particularity of nuclear environment, its 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, patients safety and image quality. For this reason, this study the two material properties (MR compatiblity and machinablity), which influence the MR surgical robots 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 materials 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 environment.Key words：Magnetic resonance imaging; Machinability; MR compatibility; Artifact simulation目录中文摘要IAbstractII目录III图清单V表清单VI字母注释表VII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132.2.3 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21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233.4 材料模糊评价计算过程283.4.1 黄铜评价过程283.4.2 铝合金评价过程283.4.3 尼龙评价过程293.4.4 聚甲醛评价过程293.5 结果与讨论303.6 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49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24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39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17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18表3- 1 数据前处理结果23表3- 2 和的取值26表3- 3 Karwowski70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36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)感应力 (N)期望希腊字母方差最大特征值相对磁导率英文简写MRImagnetic resonance imagingMRmagnetic 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 decayVII第一章 第一章 绪论1.1 研究背景及意义制造业作为我国国民经济的基础，在当下我国经济形式有所下滑的前提下起到了至关重要的作用。现如今机械制造业在我国已经品类全面、基础建设已经基本完成，但是精密加工制造依然有所欠缺。这是我国下一步在制造业的经济增长转变过程中需要重点解决的部分。而现代制造业在如今的形式下已经开始从各个方面改变我们的生活方式，并且为国家每年解决这大量的就业问题，并培养了大量了相关人才，大力发展制造业不仅提高国家的经济水平和人民的生活条件，更加重要的是制造业是各行各业的基础，对其他行业的发展至关重要，如航空航天、医疗器材、交通运输等。只有制造业发展起来才能说国家的经济有保障，而不能单纯依赖房地产的经济泡沫。所以，通过国家和各行各业的努力共同提高制造业在国民生产中的地位是现如今解决经济持续低迷的解决措施。另外一方面，我们看到以德国为首的制造业强国开始提出了工业4.0口号，开始进行第四次工业革命，以及美国政府提出大力发展制造业等现象说明各国都已经注意到唯有制造业兴盛，国家的经济才能强盛，才能经久不衰，有足够的免疫力抵抗经济危机的侵袭。所以，在此关键的时机同样也是千载难逢的时机我国只有抓住机会大力发展制造业，尤其是高精尖制造业才能使得我国重新站在制造业强国的位置，才能重回盛唐繁华。而相反，如果仅仅局限于房地产泡沫及其他经济泡沫制造的虚幻美好的繁荣景象中不能及时清醒，那么等待我们的将是下一个百年的落后与屈辱。而在此基础上，作为制造业的一个分支，医疗器械以及呈现非常迅猛的发展势头，这其中最重要的助力是近些年来医学成像技术的突飞猛进。正是由于生物医学工程中医学成像的发展，使得医生能够更加直观的观察患者体内病灶的真实情况做出更加准确的诊断和治疗。另外，医学成像技术的发展也为医疗机器人的运用提供了一个突破口，借助成像技术准确定位患者体内的病灶，同时依仗现代制造业的精确性和稳定性针对病灶进行最直接的治疗，使得病人能够在忍受最少的痛苦的基础上得到疾病的康复，这是现代医学为人类做出的贡献，同时也是制造业为人类做出的贡献。而能够做到这些得益于核磁共振图像导航手术机器人有了巨大进步1，而且已经应用在许多方面，其中就包括医疗行业2。一方面，革命性的实时3D核磁共振成像技术的实现不再遥遥无期，这使精确而且实时的图像导航手术成为可能，这些技术上的突破主要得益于医学成像技术的发展。成像技术是生物医学工程学科中的主要内容。成像技术的研究重点主要集中在从2D或者3D图像中获取有用的信息，并将其应用到医生的诊断和治疗过程中。超声、CT等技术在过去许多年已经得到了广泛的开发和应用，但是随着医疗技术的提高以及患者对治疗过程要求的提高，减小创口、提高治疗精确度和缩短回复时间等要求也促使着医疗技术的提高和变革。正是在这种环境下，核磁共振成像（MRI）技术应运而生了，核磁共振成像技术在很多方面都得以应用，它可以提供生物组织的数字化三维图像，尤其是在软组织成像等方面优势明显，因为核磁共振成像具有对比度高，分辨率好的特点3,4。核磁共振成像技术不像CT成像那样出现电离辐射，也不需要向病人的体内植入放射性粒子已进行对比成像，核磁共振成像技术已经变成了研究脑部等人体复杂器官的重要工具1。MRI技术在成像上的优点与机器人在稳定性、可重复性、精确性上呈现出的特定使二者能够结合并衍生出MRI导航的微创手术机器人。其中，核磁共振成像技术可以为手术机器人实现实时的影像导航，同时机器人技术可以使得手术操作更加精确、安全。近年来，这个技术课题在前列腺5-11、乳腺12和大脑1等的治疗中得到了长足发展。核磁共振成像技术的许多优势是其他技术无法比拟的，如软组织成像时对比度高、分辨率高等，但是任何技术都不是十全十美的，MRI技术同样存在局限性，限制其发展与运用。核磁共振（MR）的成像条件为 13：（1）强烈的静磁场，（2）空间梯度场，（3）射频脉冲，（4）高灵敏度信号探测线圈。静态磁场和梯度磁场的存在会使得核磁仪内部的机电设备产生感应力和力矩，干扰其正常工作,如图1-1。置于核磁仪的部件可能含有铁磁性材料，从而对核磁仪产生的磁场造成扰动，进而影响成像质量和医生诊断治疗过程。另外，射频脉冲在激发被磁化的质子并由收集线圈进行信号获取和处理过程中，若磁场的均匀性被破坏，那么经过处理形成图像也会产生伪影破坏成像质量。同时，高度变化的磁场也会在导体内出现感应电流，进而产生热量，这样就可能危及设备和患者的安全。1.2 国内外研究现状1.2.1 材料的核磁兼容性先进的机器人系统由于其高度的精密性、准确性及可重复性被广泛地应用在材料加工和自动化方面。另外，核磁共振成像技术由于具有高对比度和空间分辨率，使得它在软组织成像方面具有得天独厚的优势，可以为介入性的治疗手段提供高质量的解剖数据，如：活检和放射治疗1,14。近些年，三维成像技术已经越来越多的应用到医学诊断学科中，其中包括计算机断层扫描(CT)、超声波和核磁共振成像。比较这三种成像方法发现，MRI能够对任意位置和角度的区域进行断面成像并且对软组织的成像效果远好于其他两种方法15。由于MRI的三维成像的方向可以通过调整参数来改变，而无需移动病人或成像设备16。由于上面所述的关于机器人系统和核磁成像技术的诸多优势使得核磁兼容的介入辅助医疗设备近年来飞速发展，如图1-2。其中，用于微创介入手术的核磁手术机器人为外科手术带来了重大冲击和影响，这是因为这种微创手术相较于传统开放式手术有诸多优点，例如：创伤和痛感小、减少疤痕和出血量、降低并发症的几率、减短住院时间和恢复期等2,13,17。由于核磁共振成像需要静态磁场、梯度磁场、射频脉冲以及信号探测线圈，同时核磁仪空间有限，故核磁仪的磁场与手术机器人之间必然会相互影响，导致图像的质量下降，甚至可能会引起核磁仪内的手术设备发生位移。同时，核磁仪在工作时周围环境中的铁磁性物质会严重干扰磁场分布，进而影响成像质量，甚至引起危险，这已经成为阻碍核磁环境下医疗器械发展的主要原因之一18，如图1-3。一般的机械装置无法应用于核磁环境下的原因是大部分的机械装置的制造材料都包含铁磁性材料，而铁磁性材料是感应力的主要来源19。同时，导体在变化的磁场（包括射频脉冲磁场以及梯度磁场）中也会产生感应电流，进而产生热量20-22，进而可能在经皮穿刺的器械上产生烫伤甚至是火花放电等危险。同时，核磁仪附近存在金属性物质时还会导致明显的磁场扰动，从而造成信号丢失、降低成像质量，即产生伪影。核磁成像中伪影产生的程度取决于外来铁磁性物质的磁性和大小、周围的磁场强度以及铁磁性物质距离核磁仪的距离23。成像时伪影的出现会导致图像的扭曲和信息丢失24-26。伪影是由以下原因造成的：(1)成像区域周围存在与人体组织磁化率差异较大金属性医疗器械27,28；(2)成像区域的组织中存在较大的磁化率变化，例如气窦；(3)射频(RF)磁场29,30或梯度磁场31在导体中引起涡流，对磁场产生扰动。这种磁场扰动与介入磁场的金属部件的位置、大小、形状和磁化率有关，尤其是当金属部件处于成像区域附近时32。综上，材料的核磁兼容性是由材料在核磁仪中产生的感应力和扭矩、发热量以及伪影所组成的。在制造核磁手术机器人之前进行材料选择时，核磁兼容性已经被作为一个重要的指标来考虑33。Schenck34,35根据材料在核磁环境下产生的力、扭矩和伪影的大小定义了两种核磁兼容性。Chinzei36通过实验测量了机电设备的伪影以及其对成像时信噪比的影响程度。Barbier T37研制出一种传感器，用于在MRI的安全性检测中测量射频感应电压。Carias M38研制了一种易于操作的核磁兼容的超声导管，用于微创手术，并且检测了它的发热量及安全性。Wezel J39针对发热和磁导率影响通过电磁模拟和实验研究了普通的牙齿护圈的核磁兼容性。Schueler20建立了一种用于评价医疗植入物核磁兼容性的方法。Chaudhry40研究了银基创口敷料在核磁环境下的发热量是否会导致患者皮肤灼伤，以及其在成像时产生的伪影大小。至此，大量的学者在材料的核磁兼容性上做出了众多贡献。另外，用于制造核磁环境下应用的医疗手术机器人的材料除了需要具有良好的核磁兼容性之外，还需要具备良好的切削加工性和强度，否则，可能会造成材料难以加工进而影响装配精度和运动精度。Tse41提出过一种简单的材料选择方法，这种方法的基本原理就是粗略的通过比较材料强度和其与成像区域距离对不同的材料加以区分。但现在还没有一种系统的方法可以对不同的材料进行比较和分类从而选出最合适的材料用于制造核磁环境下的医疗机器人。总结国内外的研究发现，研究内容或集中在试图从理论上对核磁安全性和兼容性进行检测和解释，或仅对成品医疗器械进行检测，而从机器人制造材料上开始进行核磁安全性和兼容性进行检测的研究少，研究内容也未能提出系统的对材料核磁兼容性研究的方法。本文提出了一种方法可以对材料的不同性质进行综合的评价和选择，从而选出最佳的材料，为以往研究中缺失系统性方法做出了贡献。另外，对于核磁环境下的医疗设备，需要在确保安全性和核磁兼容性的前提下才能投入使用。而在核磁环境下对于安全性的检测是非常复杂的问题，与检测发热情况或感应电压相比，证明材料不存在危险要困难得多。为了能够减少磁化率伪影同时降低实验检测的成本，可以采用数值模拟方法寻找新的医疗材料。在这之前需要解决两个问题，即需要计算出材料引起的磁场扰动和通过扰动磁场模拟出干扰图像。Ludeke28提出了建立数值模拟的方法，但是由于算法受到材料形状限制使得对于伪影的模拟不够理想。本文提供了一种针对顺磁性物质计算磁场扰动的方法，进而推倒出伪影的模拟算法。(a) 核磁仪 (b) 核磁仪磁场力对器械的吸引(c) 滚珠丝杠和MRI成像伪影图1- 1铣削核磁共振仪、材料核磁安全性与兼容性Figure 1-1 MR compatibility and safety. （a）Tsekos41等开发的MR诊疗机器人（b）Muntener42等开发的前列腺诊疗机器人（c）Eftychios22 等开发的MR诊疗系统 （d）Chinzei 39等人开发的MR诊疗系统图1- 2 MRI导航机器人系统Figure 1-2 MRI guided robot system. (a) 强烈的磁场吸引力将设备移动 (b) 核磁仪磁场力将椅子吸引至病床(c) 核磁穿刺针产生的伪影图1- 3核磁安全性和兼容性问题Figure 1-3 MR compatibility and safety problem.1.2.2 材料的切削加工性材料的切削加工性作为产品设计与机械加工之间的联接纽带，是研究材料加工工艺的基础性课题43。通过研究材料的加工性可以为产品设计和加工提供理论依据和技术支持，实现材料的定向选择和有效加工。所以拥有一套完善的加工性理论体系对工业生产是至关重要的。材料加工性一般描述材料加工的难易程度44，但这作为定义有一定的局限性，实践表明对于同一种被加工材料,如零件技术条件和具体加工条件不同,则其加工的难易程度有着很大的差异45,46。材料加工性评价的主要目的包括评价材料的可加工性、评价加工过程/输出结果和分析输入因素对输出结果的影响程度。林树兴等人44选取五种材料性能因素(硬度、抗拉强度、延伸率、冲击值和热导率)用模糊综合评价法对部分结构钢和难加工材料进行可加工性评价。任召伟等人47使用有向图法选取三种输出因素(铣削力、表面粗糙度和切屑形式)对铣削过程/输出结果进行了评价。Davim J P48使用方差分析研究切削参数对表面粗糙度和比切削力的影响程度。数据包络法强调的是性能参数是加工性的内因，而过程参数是加工性的表现形式，并通过有效性对比反应加工难易程度52。2007年于爱兵等人49使用模型对可加工陶瓷材料的可加工性进行评价，结果与模糊综合评价结果相近。数据包络法综合考虑性能参数与过程参数间的关系，并且避免了权重分配的人为假设49，对材料加工难易程度的评价客观准确。模糊综合评价法能够综合考虑影响材料加工性的关联因素及因素间的相互关系，并且给予一个综合等级，是一种应用较成熟的评价方法。徐旬于1991年50提出了材料切削加工性的多算子二阶综合评判的数学模型。林树兴等人44, 51采用可变权重分配对部分结构钢和难切削材料进行模糊评价，并提出二级模糊综合评价法改进了原方法。于爱兵等43在二级模糊综合评价中加入层次分析法(如图1-4)，对三种可加工陶瓷材料的可加工性进行模糊评价。由于选取了更多的关联因素使评价更准确，加入层次分析法避免了权重分配的主观片面性。Rao R V52于2002年提出有向图法，同时考虑多个因素以及因素间的相互关系，成为材料加工性评价的有效工具。但因素间相互影响系数的选取主要依靠经验，易造成误差。2006年钟利军等人53在选取因素间相互影响系数时使用matlab对大量统计数据进行拟合，对得到的拟合直线求斜率得出影响系数。王敏等人54于2008年采用灰关联分析确定影响系数，避免了统计规律计算的不足，使评判结果更加客观。将实验数据以图形曲线的形式表现出来，根据曲线的变化趋势及不同曲线之间的位置关系评价材料加工性是一种直观且简单有效的方法。代汉达等人55用响应曲线法研究钻削加工Al2O3f+Cf/ZL109复合材料时纤维含量/位向、钻削速度及进给量对钻削力、刀具磨损和钻削精度的影响。回归分析和方差分析作为数理统计中常用的方法在材料加工性研究已经应用较为成熟。Davim J P使用方差分析48和回归分析56研究切削参数对表面粗糙度和比切削力及比切削力和功率的影响程度。图1- 4 评价磨削加工性的递阶层次结构52Figure 1-4 Hierarchy for grindability evaluation of ceramic52.材料加工性优化目的是通过优化加工参数得到更好的加工效果。优化过程可以通过建立响应曲线观察变化趋势进行，或通过建立加工性模型实现。2009年Hwang Y K等人57利用响应曲线法分析了机床、冷却环境和切削参数对表面粗糙度和切削力的影响，并将机床和其安装环境设为噪声因素，通过优化信噪比减小机床对切削力和表面粗糙度的影响程度。Sahoo A K等人58使用回归分析对切削加工Al/SiCp金属基复合材料时的表面粗糙度进行建模，并运用基于灰色理论的田口分析法(grey based Taguchi analysis)对切削参数进行多响应优化。Gaitonde V N等人59对钻削加工毛刺高度/厚度进行人工神经网络建模后运用粒子群优化算法(PSO)优化输入参数。相比于回归分析法，运用人工神经网络建模时不需要提前对函数关系进行假设，在加工性研究中有更好的应用。例如：由于拟合优度检验值太小(刀具磨损和表面粗糙度的分别为0.0945和0.4464)造成多元回归建模失败，Senthilkumaar J S等人60采用了人工神经网络对刀具磨损和表面粗糙度进行建模，并研究其切削加工性。Madic M等人61提出神经网络的评价准则：预测精度、网络复杂度和收敛速度，并对其建立的五种神经网络模型(如图1-5) 进行评价，根据模型的复杂程度(训练数据量与权值的数量之比)在优先级上高于收敛速度(迭代次数)选择4-4-3模型。可见所有网络模型隐含层都不超过两层，这是因为Hornik K 62于1989年提出：最多需要两个中间层的就能在给定的精度内逼近任意属性的函数，而这个理论也得到了广泛认可。隐含层神经元的数量决定了神经网络模型的表达能力和其推广性，隐含层神经元数量一般用试凑法决定61，也可由经验公式进行选择，神经网络结构见表1-1。图1- 5 神经网络的复杂度和收敛速度61Figure 1-5 ANN models complexity and convergence speed61.表1- 1人工神经元结构Table 1-1 Structure of artificial neural networks596061633-12-23-15-24-4-33-7-1(Ra)3-4-3-1(F)图1- 6 四种模型的回归处理结果66Figure 1-6 Post-regression results of four models66.针对人工神经网络容易陷入局部极小的缺点，Senthilkumaar J S等人60于2012年通过非劣分类遗传算法(NSGA-II)与神经网络结合建立刀具磨损和表面粗糙度模型对切削参数进行优化。但由于寻优时其搜索方法不断变化，寻到全局最优解的代价较大63。Farahnakian M等人64建立了基于粒子群优化的神经网络(PSONN)建立切削力和表面粗糙度的模型，并与传统神经网络建立的模型比较，结果显示PSONN模型的预测精度远远好于传统神经网络模型。支持向量机是一种基于统计理论的一种机器学习方法,因其理论基础严格,没有神经网络的欠学习和过学习等情况,并能较好的解决小样本的问题而日益受到重视65。李勇等人65于2007年分别采用RBF神经网络和支持向量机进行误差预测建模，结果显示基于支持向量机更好地预测了数据内部的规律。aydas U等人66分别建立三种支持向量机模型和人工神经网络模型，并比较其预测精度(如图1-6)，其中R表示回归系数，结果显示Spider模型预测精度最高。综上所述，材料加工性研究在评价和优化方面都已经有了较为成熟的应用，但离真正意义上指导产品设计和生产加工还有一定距离。存在的问题和发展趋势总结如下：(1)针对材料加工性评价，关联因素的选取没有统一标准。对于材料加工性的评价选用不同关联因素会得出不同的结果，所以选取合适的关联因素是保证材料加工性评价准确的关键。(2)针对加工性建模，现有的建模方法其输出参数只能包含一个现象因素，这使得不同输出参数的优化结果可能出现相互矛盾的现象。对不同输出参数分配合适权重，建立一个综合的加工性模型，是进行整体加工性优化的有效途径。(3)针对材料加工性优化，优化对象局限于切削参数，这使得优化过程仅对切削加工过程有效，优化程度较低。在材料选取、热处理、粗精加工中进行全程的加工性优化是优化过程的最终目标。综合国内外研究可以发现，多种理论方法可用于材料切削加工性的评价，关键在于评价中尽可能降低人为主观因素的影响，同时需要全面考察可能影响加工性的因素并将其包含在评价体系之内，此外还需要研究各评价因素之间的相互影响。1.3 本文主要研究内容针对核磁环境下运行的医疗手术机器人的材料选择和外形设计，本文主要进行了以下内容的研究工作。第一章：根据国内外的相关文献阐述核磁手术机器人研究中材料选择的意义及其难点，总结相关领域国内外研究现状。根据本领域的研究状态提出本文的研究方向及创新点。第二章：根据核磁环境下手术机器人制造材料需要的关键属性（即核磁兼容性和切削加工性），选择具有代表性的影响因素（即伪影、感应力、感应力矩和铣削力、表面粗糙度、切屑形状）进行实验设计，按照实验计划进行实验并记录实验数据用于后续的材料评价和选择。第三章：应用二阶的模糊综合评价法对材料的核磁兼容性和切削加工性进行整体分析和评价，建立核磁环境下医疗手术机器人本体材料的选择和评价机制。并应用到实际情况当中，即对第二章中的实验数据进行模糊综合处理，最终得出实验材料的评价等级，完成评价模型的正确性验证工作。第四章：建立不同磁导率圆柱体形状的伪影模型，并与实际的实验测得的伪影图像进行比较验证模型的正确性。最后利用模型对影响伪影大小的因素（如磁导率、尺寸、倒角形状、倒角尺寸）对伪影尺寸的影响作用进行了研究。第五章：对全文进行总结，并分几个方面对未来的工作进行了展望。49第二章 第二章 材料的核磁兼容性和切削加工性实验2.1 引言制造核磁环境下安全应用的机器人，必须选择一种合适的材料。这种材料需要具备良好的核磁兼容性、切削加工性和强度。否则会造成许多不良的影响，如：影响手术机器人的加工精度和装配精度、影响机器人在核磁仪中的运行平稳性并进而危及患者的生命安全、造成核磁共振成像伪影影响成像质量和手术精确性等。所以必须找到一种合适的方法对特定材料进行评价和分析。为了对核磁兼容性和切削加工性进行量化测量，本文进行了一系列的实验。首先，选择四种实验材料加工成两种形状，然后根据标准的实验流程测定其伪影、受力和扭矩。另外一组实验是通过测定四种材料进行切削加工时的表面粗糙度、切削力和切屑形状以量化切削加工性，此时假设材料的强度是满足要求的，这样，针对材料的核磁兼容性和切削加工性的综合分析就可以通过模糊综合评价法进行，最终实验数据经过处理得到一个综合指标，即可选出最合适的材料用于制造核磁手术机器人。最终，本文创立了一种新的方法用于核磁环境下手术机器人制造材料的选择，这种方法能够在不同种类的材料选择方面为研发人员提供系统的指导意见。最终，四种材料中聚甲醛被选为最合适的机器人制造材料。2.2 核磁兼容性实验进入核磁仪周围环境的设备部件可能会在变化磁场中产生感应力和感应力矩，同时产生核磁伪影。此时，在磁场的作用下部件会发生两种运动：平移运动和旋转运动。由于它们分别是由不同的机制产生所以可以分别进行观察和测量20。平移运动发生在存在空间梯度磁场的条件下，当磁场梯度增大时感应力也越大。而旋转运动则是与静态磁场有关，磁场强度越大力矩越大，旋转运动就越明显。综上所述，核磁仪的中心处静态磁场处于均一稳定状态且是最大值，故可测得力矩的最大值，而磁场梯度则可以忽略；而在核磁仪出口处，磁场强度大幅下降，磁场梯度的最大值就出现在核磁仪出口处，所以可测得感应力的最大值。另外，如前所述金属物质处于核磁环境下时，在射频脉冲存在时会产热。但是考虑医疗手术机器人本体部分不会接触患者身体，所以本文不再考虑温度因素。2.2.1 材料准备由于铁磁性材料在成像范围内会受到强大的感应力和力矩，并会使得磁场产生巨大扰动，故在进行材料选择时将其排除。普通的非铁磁性材料、贵重金属、陶瓷和塑料是非磁性物质，在考虑范围内。但考虑到磁导率、强度、成本以及人体健康等因素，本文选择以下两种材料：非铁磁性金属和非金属。两种非铁磁性的金属材料分别为黄铜59和铝合金6061。黄铜59含锌量在35%以下，属相黄铜，具有良好的塑性，能承受冷热加工；铝合金6061为铝-镁-硅系合金，具有材料致密无缺陷，韧性高，具有良好的抗腐蚀性，机加工不粘刀，加工后不变形等特点；非金属材料有尼龙和聚甲醛，它们均能满足核磁机器人强度要求，可以用于制造结构件。尼龙具有良好的力学性能和耐热性、耐磨损性、耐化学药品性；聚甲醛表面光滑，有光泽且硬而致密。材料的物理属性如表2-1所示。表2- 1 材料属性Table 2-1 Materials properties材料密度 (g/cm3)拉伸强度 (MPa)硬度 (HV)铝合金 6061黄铜59尼龙聚甲醛2.88.391.151.39265410606395130-图2- 1 核磁兼容性实验材料Figure 2-1 Samples for MR compatibility tests.上述材料的物理和力学性能在表1中已经列出，可以看到不同材料的性质不同但它们都满足强度要求。针对不同材料的检测，形状变化因素应该被排除在对比实验之外，故上述材料分别被加工成两种形状以进行核磁兼容性实验，即圆柱体和方形薄板，如图2-1所示。这是因为运用简化思维，任何的机械零件都可以看成是数个圆柱体和平板形状的叠加。图2-1中两种形状的四种材料被分别命名为组1和组2，前者高度为64mm，直径为25mm，后者高度为8mm，直径为50mm。其中组1材料用于核磁兼容性实验中的感应力和力矩的测量，组1、组2都用于伪影的测量。2.2.2 感应力测量为了测量磁场感应力，本文通过检测样品材料所受的感应力与重力的比值间接测量67，如图2-2所示。图中坐标系的设置为：x方向为竖直向上，y方向为水平方向，z方向平行于核磁仪中心处的静态磁场方向，即核磁仪出口所对的方向。通过样品偏角和自身重量可以通过下式推断出样品所受的感应力。(2-1)其中m是样品重量，g是重力加速度，是样品牵线与竖直方向的夹角，其基本构造如下图所示。利用一套实验夹具对样品材料进行测量实验，实验具体步骤如下：(1) 在测量夹具上安装一个分辨率为1的测角器。用15cm长的细绳（重量小于1%的样品重量）将实验样品悬挂在量角器的原点位置。(2) 将实验装置放置于核磁仪中心位置，并使得细绳处于自由状态。(3) 开启核磁仪，将实验装置和样品沿着核磁仪中轴线从入口处往外慢慢移动，观察细线的偏角，直到找到偏角最大的位置，此处就是磁场梯度最大的位置。待实验材料不再移动，记录其偏角。(4) 重复上述实验过程，总共进行三次实验，并记录实验数据。(5) 换其他材料进行上面(2)(3)步。(a) (b)图2- 2 感应力和感应力矩的测量示意图：(a)感应力测量；(b)感应力矩测量Figure 2-2 Schematic diagram of testing: (a) Testing of forces (b) Testing of torque. 2.2.3 感应力矩测量由于力矩的测量是在核磁仪中心位置进行的，操作空间较小。而且本文采用的实验材料为非铁磁性材料，实验的过程中不会产生很强的力矩，故需要设计一种对力矩变化较为敏感的实验方案。针对磁场中的感应力矩，本文采用文献中描述的方法进行测量68。另外，由于磁场感应力矩的测量是在核磁仪的最中央位置进行，而实验人员处在核磁仪外部，无法清除地观察到实验时内部的情况，故将检测样品悬挂在如图2-2(b)中的实验装置上，装置上装有一面反光镜用于观察核磁仪内的状况。同时在实验装置下方的平板上画有纵横交错的网格线，便于观察实验样品的转动情况。具体实验步骤如下：(1) 将实验装置放置在核磁仪中央部位使得细线位于样品中间位置刚好使得样品平衡，样品轴线的初始位置为平行于核磁仪轴线。(2) 待样品位置稳定后开启核磁仪，通过反光镜观察样品的转动情况。利用如下的方式量化样品的转动情况并记录数据：0表示无力矩，不存在转动；+1表示轻微力矩，样品存在轻微转动，朝向改变，但未与磁场方向一致；+2表示中等力矩，样品的朝向逐渐与磁场一致；+3表示较强力矩，样品以较快速度转动，最终朝向磁场方向；+4表示强大力矩，样品迅速旋转到磁场方向。(3) 停止核磁仪工作，将样品朝向顺时针旋转45，并重复步骤(2)，直至旋转角度为360。(4) 重复进行步骤(2)(3),每种材料总共进行3组实验，然后换另一种材料，直至四种材料全部完成实验。2.2.4 伪影测量置于核磁环境下的手术设备除了会产生感应力和力矩使得产生运动之外，还会产生伪影从而影响成像质量。下面的实验用于检测不同物质在