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.激光加热导致生物组织坏死是疾病治疗的一种方法，激光与病变及周边组织的热交互规律是实现治疗的生物学基础。在生物学基础上，结合机器人技术实现高精度治疗，是构成“疾病发现、疾病诊断、认知机理、制定方案、实施治疗、效果评价”这一闭环的关键执行环节。目前，对激光治疗的机器人系统化方法研究尚处于起步阶段，缺乏系统性的全面阐述。为解决这一问题，本书融合生物传热学、机器人学和控制科学等学科，系统描述了激光­组织交互机理、激光治疗机器人化的组成原理和各环节的主要方法，揭示了激光治疗机器人化的核心问题和难点问题。

本书既可以作为生物医学工程、机器人、激光医学等专业的教学参考用书，也可以作为相关领域研究人员的参考资料。

前言

第1 章绪论. 1

1.1 引言. 1

1.2 激光医学发展要点史.4

1.3 激光机器人系统/治疗终端现状 . 7

1.4 人类医生与医疗机器人对比. 14

本章小结. 15

参考文献. 15

第2 章激光­­组织交互机理.20

2.1 引言20

2.2 实验观察. .20

2.3 经验模型. .21

2.4 生物传热模型.23

2.4.1 抛物线型和双曲线型24

2.4.2 广义双相滞后方程. . 25

2.4.3 分数阶模型. .26

2.4.4 基于麦克斯韦方程的生物传热模型28

2.4.5 热波模型29

2.4.6 C­H 生物传热模型. 30

2.4.7 激光加热下的彭尼斯生物传热模型30

2.4.8 激光热源热流模型. . 31

2.5 生物传热模型解法 .32

2.5.1 解析解法32

2.5.2 半解析解法. .36

2.5.3 数值解法37

2.5.4 蒙特卡洛法. .42

2.5.5 移动光源热场解法. . 44

2.6 热损伤模型 . 49

2.6.1 热等效应剂量模型. . 49

2.6.2 厄瑞涅斯热损伤模型50

2.6.3 模型间转化关系 50

2.7 生物组织热参数实验测量方法 . 51

本章小结. 52

· iv · 激光治疗的机器人系统方法

参考文献. 52

第3 章激光治疗终端及投送系统55

3.1 引言55

3.2 激光终端结构.55

3.2.1 弹性体驱动激光消融终端. . 55

3.2.2 刚性张闭型激光消融终端. . 59

3.2.3 球关节驱动激光消融终端. . 61

3.3 腔道内激光投送机器人系统. 62

3.3.1 线驱动可伸缩连续体投送机器人. . 63

3.3.2 弹性可伸缩连续体投送机器人 69

3.3.3 软体驱动激光投送机器人. . 76

3.4 实体穿刺投送机器人系统 83

本章小结. 92

参考文献. 92

第4 章激光治疗规划.93

4.1 引言93

4.2 激光治疗规划评估指标93

4.3 浅表激光消融治疗规划97

4.3.1 离散点覆盖法激光治疗规划97

4.3.2 连续运动光斑激光治疗规划 . 100

4.4 三维空间激光消融治疗规划113

4.4.1 基于粒子群方法的三维离散点覆盖方法. 113

4.4.2 机器学习规划技术. 116

4.5 激光终端位置有偏的治疗规划 117

本章小结119

参考文献120

第5 章激光治疗反馈控制.121

5.1 引言 . 121

5.2 组织状态感知. . 121

5.3 控制方法.129

5.3.1 开关逻辑控制 .129

5.3.2 PID 反馈控制 130

5.3.3 模糊控制器反馈控制 . 131

5.3.4 控制. . .134

5.3.5 自调节控制.138

5.4 激光治疗机器人方法的整体框架. . 140

本章小结141

参考文献141

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前言

激光作为一种能量形式，因其能量密度高、输出端无电流带来的人体电气安全以及传输载体光纤的结构简单等优点，在包括激光备牙和脑肿瘤光动力疗法等方面展现出优势，在临床上已经成为一种有效的治疗手段。然而，截至目前，激光治疗设备和机器人系统仍主要作为高精度定位设备使用，而高精度定位仅是高精度治疗的必要条件，并非其充分条件。目前尚未出现临床可用的高自主性机器人化的高精度激光治疗方法与系统，对这类系统的整体认识也不够清晰，导致依托机器人实现高精度激光治疗的突破有限。

  为此，我们对激光治疗机器人系统进行了大量研究。在激光–组织交互机理的研究基础上，依据激光治疗规划方法对病变进行离线治疗模拟，进一步，通过多种传感器实时获取病变及其周边组织的状态信息，在反馈控制器的作用下，利用机器人系统的高精度定位和运动控制能力实现对病变的高精度治疗。这种激光治疗的机器人系统方法具体包含四方面内容，即激光–组织交互机理、激光治疗终端及投送系统、激光治疗规划和激光治疗反馈控制。激光–组织交互机理包括实验现象、经验公式和多种生物传热模型。生物传热模型解法包括解析解法、半解析解法和数值解法。激光治疗终端及投送系统包括终端结构设计和投送系统结构设计，后者包括腔道内投送机器人和实体穿刺投送机器人。激光治疗规划方法包括治疗评估指标、浅表激光消融治疗规划、三维空间激光消融治疗规划和针管位置有偏的激光治疗规划。激光治疗反馈控制包括组织状态感知和各种激光治疗反馈控制方法。基于上述结果，本书给出了激光治疗机器人方法的整体框架。

  特别感谢国家自然科学基金面上项目“高精度脑外科微创激光烧蚀治疗方法关键科学问题研究（项目编号：61573208）”的资助。同时，感谢国家自然科学基金重大研究计划培育项目（项目编号：91748103）、中国博士后科学基金特别资助项目（项目编号：2015T80078）、中国博士后科学基金面上项目（项目编号：2014M560985）和北京市自然科学基金重点研究专题项目（项目编号：Z170001）的资助。

  本书是对父亲苏宝田和母亲王艳伟赐予我生命的纪念。感谢赵桂玲、苏宝娟、尹相臣、苏宝兰、苏丽娜、董云龙、苏柏川、董济萱、董宇佳等家人的支持。家人的路相伴和支持使这本书得以顺利问世。

  特别感谢导师王田苗教授的指导和培养。非常感谢刘达教授、匡绍龙教授、汤劼副教授、冯永强副教授、刘文勇副教授、王君臣副教授、王忠生博士等在本书内容相关科研工作中以及撰写过程中提出了诸多宝贵建议。

  感谢学生闫昊、吴凡、封晔、张瑞雪、余诗、弓艺、李晗等在本书出版过程中提供的支持。

  由于作者水平和编写时间所限，书中难免存在不足之处，恳请读者对内容提出宝贵意见，以便再版时修正。

                                               苏柏泉

                                              北京后海

                                           2021 年3 月31 日