脊柱微創(chuàng)手術機器人定位精度研究及系統(tǒng)實現(xiàn).pdf

1、針對脊柱微創(chuàng)手術對手術器械定位的高精度、高穩(wěn)定、高可靠要求，研發(fā)了基于CT圖像引導的脊柱微創(chuàng)手術機器人(Minimally Invasive Spine Surgical Robot,MISSR)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括醫(yī)學圖像采集和成像、機器人本體及運動控制、計算機數(shù)據(jù)處理及圖像導航系統(tǒng)等子系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠為醫(yī)生搭建可靠的手術操作平臺，使手術工具避開脊柱手術區(qū)域的敏感組織，精確到達病灶部位，提高手術成功率、減小手術風險、減少手術并發(fā)癥。<

2、br>　　 MISSR系統(tǒng)的定位精度是臨床應用最重要的技術指標之一，對于提高手術成功率具有十分重要的意義。然而，此系統(tǒng)是一個包含多個子系統(tǒng)的復雜系統(tǒng)，有很多因素會引起系統(tǒng)定位誤差。本文在分析各種誤差產(chǎn)生因素的基礎上，建立系統(tǒng)定位誤差鏈模型，對其中的關鍵技術進行研究，對產(chǎn)生誤差的主要環(huán)節(jié)采取了分類補償策略。最后，通過實驗對系統(tǒng)定位精度進行了測試和驗證。本文圍繞產(chǎn)生誤差的各種因素和減小誤差的方法展開詳細分析，主要工作如下：
　　

3、(1)在分析MISSR系統(tǒng)總體架構的基礎上，根據(jù)本系統(tǒng)特點建立了分層控制的系統(tǒng)體系結構，介紹了系統(tǒng)主要模塊設計原則。分析了系統(tǒng)各個坐標系之間的變換關系和手術流程，將眾多誤差因素歸為三大類：CT圖像空間和機器人空間坐標系映射誤差、手術機器人本體定位誤差和運動控制系統(tǒng)誤差。
　　 (2)研究了圖像空間與機器人空間映射方法和基本原理，分析了基于體外標記點空間映射的主要誤差來源，以及這些誤差之間的傳播機理。針對圖像空間標記點定位誤差各向

4、異性分布問題，采用了基于無跡卡爾曼濾波的空間映射算法，提高了映射精度。通過仿真驗證了空間映射誤差傳遞關系，并對比了不同空間映射算法對映射精度的影響。設計了適合系統(tǒng)特點的標記點形式，通過實驗驗證了映射算法的有效性，給出了通過優(yōu)化標記點分布來減小空間映射誤差的具體措施。
　　 (3)基于旋量理論指數(shù)映射的方法建立了機器人本體運動學模型，從而避免了Denavit-Hartenberg建模方法帶來的奇異性。根據(jù)機器人本體機構和誤差產(chǎn)生的

5、特點，將定位誤差源分為幾何誤差源和非幾何誤差源。針對幾何誤差因素，采用指數(shù)積方法建立誤差模型，通過實驗辨識出機器人真實運動學參數(shù)，從而減小了這類誤差。針對非幾何參數(shù)誤差，采用了基于粒子群優(yōu)化的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡來進行誤差補償，進一步提高了機器人本體定位精度。
　　 (4)針對在脊柱手術受限工作空間條件下，避免機器人運動過程中與病人發(fā)生碰撞，與此同時滿足快速定位的要求，設計了相應的執(zhí)行機構驅(qū)動方案，通過調(diào)整相關參數(shù)減小了多軸聯(lián)動時

6、的軌跡誤差。采用了控制器局域網(wǎng)總線技術，實現(xiàn)了系統(tǒng)通訊正確性、實時性和可靠性要求。
　　 (5)課題組研制了基于CT圖像引導的MISSR系統(tǒng)原理樣機，完成了實驗室條件下的人體脊柱模型實驗和手術室條件下的活體動物實驗，通過實驗驗證了本文提出相關方法和算法的有效性。
　　 以上工作為開展機器人輔助脊柱微創(chuàng)手術臨床應用奠定了良好基礎。同時，本文中涉及理論分析和實驗方法具有一定的通用性，能夠為醫(yī)療手術機器人領域相關研究工作提供參