无框架立体定向手术机器人主控软件系统

论文摘要

目前医疗外科手术CAD/CAM/ROBOTICS已经成为国内外研究热点。本课题组根据脑外科手术复杂化和微侵化要求,开发了一套基于标志点的无框架立体定向手术机器人系统,本文对无框架立体定向手术机器人系统的PC机主控软件系统的若干问题进行了研究。 本文首先根据外科手术CAD/CAM/ROBOTICS一体化中注册的要求,给出了三维重建后的脑模型和脑实体上标志点自动匹配的方法,采用相似变换的原理实现已知几何描述的虚拟物体从其自身坐标系到现实坐标系的转换。其次对课题开发的无框架立体定向手术机器人进行了运动学分析。在此基础上分析了机器人的作业任务和运动路径,采用在笛卡尔坐标中的三次样条法对机器人运动路径进行了轨迹规划,得出了无框架立体定向手术机器人专用轨迹规划器。 基于上述理论和算法,我在Windows 2000操作系统下采用Visual C++6.0开发环境和Matlab数学库设计了无框架立体定向手术机器人的主控软件系统。本研究的目的在于将机器人技术应用到神经外科手术中来,拓展脑外科手术的能力。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 外科手术CAD／CAM和机器人一体化系统
• 1.1.2 无框架立体定向手术机器人的发展及其现状
• 1.1.3 无框架立体定向手术机器人技术的研究热点
• 1.2 基于标志点的无框架神经导航手术机器人系统
• 1.2.1 SR-1型手术机器人系统硬件组成
• 1.2.2 SR-1型手术机器人系统软件结构
• 1.3 本文研究工作
• 1.4 论文的组织
• 1.5 本章小结
• 2 基于标志点的三维图像与实体配准
• 2.1 三维图像与实体配准
• 2.1.1 基于标志点的配准问题的提出
• 2.1.2 基于标志点的配准问题定义
• 2.1.3 相关研究
• 2.2 标志点的自动匹配
• 2.2.1 标志点间的多维距离向量及相关系数
• 2.2.2 标志点的匹配
• 2.3 三维图像与脑实体的配准的实现
• 2.3.1 求解比例因子s
• 2.3.2 求解旋转矩阵R
• 2.3.3 求解平移向量Tr
• 2.4 配准计算流程
• 2.5 本章小结
• 3 SR-1型手术机器人运动学分析
• 3.1 概论
• 3.2 SR-1型手术机器人结构
• 3.3 SR-1型手术机器人运动学
• 3.3.1 SR-1型机器人运动学正解方程
• 3.3.2 SR-1型机器人运动学逆解
• 3.4 机器人静态误差标定方法
• 3.4.1 机器人静态误差标定概述
• 3.4.2 SR-1型机器人静态误差标定方法
• 3.5 本章小结
• 4 SR-1型手术机器人轨迹规划研究
• 4.1 机器人轨迹规划技术
• 4.2 SR-1型手术机器人任务描述
• 4.3 机器人轨迹规划的一般方法
• 4.4 分段三次样条函数的轨迹规划法
• 4.4.1 三次样条函数的轨迹规划法
• 4.4.2 连续路径轨迹规划算法描述
• 4.4.3 最优轨迹的确定
• 4.4.4 机器人连续路径算法步骤
• 4.5 SR-1型手术机器人轨迹规划算法流程
• 4.6 本章小结
• 5 SR-1型手术机器人主控软件系统
• 5.1 主控软件的编程方法
• 5.1.1 模型-视图-控制
• 5.1.2 模型-视图-控制的实现
• 5.2 主控软件开发环境
• 5.2.1 Visual C++6.0简介
• 5.2.2 Visual C++调用Matlab数学库
• 5.3 多进程在主控软件中的应用
• 5.3.1 多进程技术的概述
• 5.3.2 多进程技术的实现
• 5.3.3 进程之间的通信
• 5.3.4 进程之间的同步
• 5.4 SR-1型立体定向机器人主控软件系统
• 5.4.1 主控软件系统的结构原理
• 5.4.2 注册模块
• 5.4.3 工具数据库模块
• 5.4.4 自动导航模块
• 5.4.5 主控软件的主界面
• 5.4.6 主控软件的操作流程
• 5.5 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献