机器人辅助人工颈椎间盘置换手术导航技术研究

论文摘要

手术导航技术是计算机技术、精确定位、图像处理等技术的结合体,它的应用极大地减小了手术创面,减轻了病人的痛苦,缩短了手术的复原期,同时使手术的成功率大大提高。本文针对机器人辅助人工椎间盘置换手术开展手术导航技术研究,得到“病人-图像-机器人”三者之间位置和姿态的转换关系,并通过这三者的关系实现术中对病人和机器人位置和姿态的定位和跟踪。定位即辅助手术机器人确定病灶和手术靶点位置,提高手术的定位精度。跟踪即在手术的过程中实时显示手术器械与病人颈椎的位置和姿态,以便医生对手手术过程实时的监控,提高手术的成功率。本文在分析颈椎间盘置换手术流程和评价标准的基础上,确定了机器人手术导航系统的功能,从硬件和软件两方面对导航系统进行了介绍。手术导航硬件部分包括并联手术机器人、C形臂X光机、光学定位系统和计算机及图像采集卡。手术导航系统软件部分基于VC 6.0软件开发平台和VTK工具包,具有磨钻的实时跟踪和显示模块、2D/3D术中配准模块、基于光学定位系统的数据采集模块和三点手术规划模块。为了实现手术导航“病人-图像-机器人”三者关系,手术空间到图像空间的配准是重要一环。本文采用基于图像灰度的术中X光影像与术前CT体数据的配准方法,该配准方法采用快速光线跟踪算法生成DRR影像,以归一化相关系数作为相似性测量,以鲍威尔优化方法作为配准优化方法。这种2D/3D配准方法只需要在手术中拍摄两张X光影像,不需要以侵入的方式取得或植入骨骼特征点,符合微创手术的趋势。机器人空间到光学定位系统的空间变换是机器人手术导航系统中前述三者关系重要组成环节。本文采用光学定位系统,在其有效定位范围内定位精度可以到0.25mm以内。基于光学定位系统,设计了手术机器人标定方法,得到手术机器人到光学定位系统的空间变换矩阵,实现并联机器人在手术过程中位置和姿态的实时跟踪。最后,本文以颈椎切骨模型进行了DRR模拟配准实验、X光影像的2D/3D配准实验、手术定位导航位置误差实验和手术定位导航姿态误差实验,对实验结果和数据进行了分析,并对误差来源和减少误差的方法进行了探讨。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的目的及意义
• 1.2 手术导航系统简介
• 1.3 手术导航技术的国内外研究现状
• 1.4 手术导航系统关键技术研究概述
• 1.4.1 定位技术的研究现状
• 1.4.2 配准技术的研究现状
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 手术导航系统总体设计
• 2.1 引言
• 2.2 人工颈椎间盘置换手术导航原理
• 2.3 系统坐标系统定义与坐标转换
• 2.4 手术导航系统硬件构成
• 2.4.1 手术并联机器人
• 2.4.2 C 形臂X 光机
• 2.4.3 光学定位系统及其使用
• 2.4.4 计算机及图像采集卡
• 2.5 手术导航系统软件构成
• 2.5.1 手术器械的导入与跟踪模块
• 2.5.2 手术配准模块
• 2.5.3 基于光学定位系统的数据采集模块
• 2.5.4 三点手术规划模块
• 2.6 手术导航系统操作流程
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于X 光影像和CT 数据的2D/3D 配准方法
• 3.1 引言
• 3.2 配准框架
• 3.3 DRR 影像的生成
• 3.4 DRR 影像与X 光影像的2D/2D 配准方法
• 3.5 C 形臂X 光发射源中心点的确定
• 3.5.1 C 形臂校正器
• 3.5.2 计算原理
• 3.6 配准实验
• 3.6.1 DRR 生成实例
• 3.6.2 DRR 模拟配准实验
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于光学定位系统的机器人空间变换
• 4.1 引言
• 4.2 光学定位系统的机器人空间变换原理
• 4.3 光学定位系统的机器人空间变换方法
• 4.3.1 机器人磨钻的标定方法
• 4.3.2 并联机器人动平台坐标系到被动刚体的标定
• 4.3.3 并联机器人静平台坐标系到被动刚体的标定方法
• 4.4 并联机器人动平台标定实验
• 4.5 本章小结
• 第5章 导航实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 X 光影像配准实验
• 5.3 定位导航实验
• 5.3.1 定位位置实验
• 5.3.2 定位姿态实验
• 5.3.3 实时导航
• 5.3.4 定位导航误差分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢