基于CAD/CAE的机器人辅助微创心脏外科手术术前切口规划

论文摘要

机器人辅助微创心脏外科手术具有手术切口美观,手术创伤小,恢复快等优点,但是不恰当的手术切口可能导致窥镜视野无法覆盖整个病灶、手术器械无法达到病灶或者手术器械之间产生碰撞等问题,不仅不能达到微创的效果,更可能会影响到整个手术的成败。因此科学、准确的术前切口规划方法对于机器人辅助微创心脏外科手术是非常重要的。针对目前医生依靠术前阅片,在主观想象中重建病人立体结构,主要依靠经验的切口定位方法,本文提出了一套基于CAD二次开发和CAE运动仿真的交互式术前切口规划方法:首先,获取病人的CT影像数据,运用三维CT成像软件Mimics 8.1重构病人心脏部位的生理结构,包括病人的肋骨、心脏及相关的血管,实现病人手术环境的三维可视化。然后,运用UG/OPEN API和VC++对CAD平台UG NX 1.0进行二次开发,建立一个可视化的切口规划的环境,让医生放置病灶点和所有肋间的候选切口位点,并按照预先制定的评价标准优化出三个最优的切口来分别放置窥镜和左右器械,进而规划夹持窥镜和左右器械的三个机械臂的基座位置,并运用机器人学相关理论计算出施加在各器械对应的机械臂各个关节上的运动。最后,在运动学仿真软件ADAMS 2003中模拟机械臂的运动,进行机械臂之间的碰撞检验,从而实现了机械臂的模拟放置和手术的模拟进行。从我们所设计的切口规划系统对12例房缺封堵病人和10例冠脉搭桥病人做的术前切口规划的结果来看,所得的优化切口的综合指标都要优于经验位点。总之,本文所开发的机器人辅助微创心脏外科手术术前切口规划系统实现了候选切口交互式放置、切口优化、机械臂基座规划、手术可行方案的可视化以及机械臂之间的碰撞检验,最后获得三个最优切口位置,分别放置内窥镜和左右器械,从而为医生在进行机器人辅助心脏外科手术的切口定位时提供客观的、科学的、个体化的依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 机器人辅助心脏外科手术术前切口规划的概念及意义
• 1.2 机器人辅助心脏外科手术早期的术前切口规划方式
• 1.3 机器人辅助心脏外科手术术前切口规划的研究现状
• 1.4 课题的来源、研究内容及主要难点
• 1.5 本章小结
• 第二章 系统总体框架
• 2.1 系统总体框架
• 2.2 优化参数和优化标准
• 2.3 手术工具
• 2.4 本章小结
• 第三章 手术区域的影像重建
• 3.1 影像学可视化三维显示的发展
• 3.2 CT 断层扫描的影像重建基本原理
• 3.3 实现功能
• 3.4 软件介绍
• 3.5 影像三维重建的主要步骤
• 3.6 本章小结
• 第四章 切口优化过程
• 4.1 CAD 平台上实现的功能
• 4.2 UG 二次开发的基本内容
• 4.3 切口优化过程
• 4.4 本章小结
• 第五章 运动仿真
• 5.1 运动仿真平台的功能
• 5.2 工具及使用环境介绍
• 5.3 运动仿真过程
• 5.4 仿真结果显示
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 切口优化和基座规划的数据统计
• 6.2 本文主要工作
• 6.3 未来展望
• 参考文献
• 致 谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录