机器人辅助全膝关节置换手术系统的研究及其在临床前的应用

论文摘要

随着计算机科学的发展,计算机已经被广泛应用到人类生活的各个领域。毫无例外,计算机技术正在给医学领域带来革命性的发展,特别是机器人和复杂成像技术的出现更加剧了这一点。尤其是在骨外科领域,手术的精确程度与手术效果有着公认的对应关系:精确的手术技术可以改善手术的效果。由于在手工骨外科手术中过于依赖外科医生的经验,这无疑加大了手术效果的不稳定性。因此,计算机辅助骨外科手术(CAOS)系统以其独特的性质,能够提供高精确和高稳定性的骨外科手术结果,正逐渐成为一个研究的热点。计算机辅助骨外科手术(CAOS)通常也被称为图像导航的骨外科手术,外科手术导航,或者是机器人辅助骨外科手术,是指以计算机技术为基础的在手术的前期计划、中期执行和术后的处理等一系列活动中使用到机器人或导航技术的手术过程。到目前为止,世界上已经陆续出现了很多实用的CAOS系统,但是这些系统都存在着这样或那样的缺点;为了克服现有系统的缺点,进一步改善假体装配精度,本文提出了一套新的CAOS系统—WATO,该系统将立体视觉装置和全自动机器人系统集成到了一个手眼式机器人上。本文共分为六个部分:第一和第二部分主要是综述了近一段时间以来国内外在机器人辅助外科手术方向上的一系列研究成果,分析了它们存在的优缺点,为本文的研究内容指明了方向;并且介绍了一些关于全膝关节置换术的基础背景知识。第三部分主要介绍我们建立的机器人辅助全膝关节置换手术系统—WATO的系统结构、定位原理以及手术规程。第四部分系统的介绍了WATO系统中的摄像机标定技术。第五部分详细介绍了WATO系统的手眼标定技术。第六部分详细介绍了为测试WATO系统的性能而进行的各种实验,并对实验结果进行了分析。本论文的主要研究成果如下:(1)在现有辅助外科手术机器人和图像导航两类系统的基础上,将外科手术机器人和图像导航系统整合在一起,构造了一个新的手眼式机器人辅助外科手术系统。并根据膝关节置换手术的特点,详细阐述了股骨、胫骨的测量方法,以及手术定位的方法。(2)在前人研究的基础上,为了适应红外光源的情况,本文提出了一种基于投影圆心的摄像机标定算法。另外,本文还介绍了一种新的基于1维标定物的多摄像机标定算法,利用此算法可以很方便的求取摄像机间的外参数。根据WATO系统本身的特点,作者还提出了基于1.5维标定物的摄像机标定算法,并将此算法成功的运用在了机器人手眼系统的标定上。(3)在综述了手眼标定的原理和现有方法的基础上,作者提出了一种新的基于螺旋运动的机器人手眼标定算法,算法简单精确度高,保障了手眼式机器人在手术实施过程中的安全可靠使用。(4)提出了一种简单实用的视觉伺服方案,该方案可以保证手术机器人能够对病体的微小晃动做出相应的位置补偿。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 机器人辅助外科手术研究概况
• 1.1.2 机器人辅助外科手术的国内外研究现状
• 1.2 机器人辅助全膝关节置换术的提出和发展
• 1.3 论文研究内容概要
• 1.4 论文结构安排
• 第二章 全膝关节置换术基础
• 2.1 膝关节解剖结构
• 2.2 与膝关节相关的生物力学特点
• 2.3 膝关节置换术的基本要求
• 2.4 人工膝关节置换术
• 2.4.1 股骨手术
• 2.4.2 胫骨手术
• 2.4.3 髌骨手术
• 2.4.4 假体安装
• 2.5 机器人辅助全膝关节置换手术概述
• 2.5.1 术前计划
• 2.5.2 术中操作
• 2.5.3 术后评估
• 2.6 本章小结
• 第三章 WATO 系统设计原理
• 3.1 系统研究背景
• 3.2 WATO 系统结构
• 3.3 WATO 系统的手眼定位原理
• 3.3.1 股骨测量定位
• 3.3.2 胫骨测量定位
• 3.4 WATO 系统的红外光学导航
• 3.4.1 基于投影中心的标志点检测算法
• 3.5 WATO 系统的手术过程
• 3.6 本章小结
• 第四章 WATO 系统的光学标定技术
• 4.1 基本知识
• 4.2 摄像机标定技术综述
• 4.3 基于投影圆心的摄像机标定算法
• 4.3.1 圆的投影圆心计算
• 4.3.2 球的投影圆心计算
• 4.3.3 绝对二次曲线图像的约束
• 4.3.4 模拟实验
• 4.3.5 真实数据实验
• 4.4 基于一维标定物的多摄像机标定算法
• 4.4.1 构建量化测量矩阵
• 4.4.2 摄像机参数的线性求解
• 4.4.3 摄像机参数的非线性优化
• 4.4.4 模拟实验
• 4.4.5 真实数据实验
• 4.5 基于1.5 维标定物的摄像机标定算法
• 4.5.1 不共线三点的几何描述
• 4.5.2 不共线三点的摄像机标定
• 4.5.3 摄像机内参数的闭式解
• 4.5.4 摄像机外参数的闭式解
• 4.5.5 非线性优化求解
• 4.5.6 退化情况分析
• 4.5.7 实验
• 4.5.8 总结
• 4.6 本章小结
• 第五章 WATO 系统的手眼标定技术
• 5.1 手眼标定简介
• 5.2 基于螺旋运动的手眼标定
• 5.3 手眼标定算法实验
• 5.3.1 仿真实验
• 5.3.2 真实数据实验
• 5.4 本章小结
• 第六章 WATO 系统的实验测试
• 6.1 石膏骨切割实验
• 6.2 尸骨切割实验
• 6.3 尸体切割实验
• 6.3.1 膝关节暴露
• 6.3.2 膝关节测量
• 6.3.3 膝关节切割
• 6.4 视觉伺服实验
• 6.5 本章小结
• 总结与展望
• 1. 工作总结
• 2. 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文和申请专利情况
• 致谢
• 博士期间参与的项目