機器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)系統(tǒng)構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、人工頸椎間盤置換手術(shù)在治療頸椎病方面具有明顯優(yōu)勢，但開展的并不廣泛，這主要是由于手術(shù)復雜、操作困難和一般的醫(yī)生難以掌握。手術(shù)中的難點是在正確的位置磨削出與植入假體相配合的骨關(guān)節(jié)面，治療效果嚴重依賴于醫(yī)生的手術(shù)技能和臨床經(jīng)驗。本文在國家“863”計劃資助項目“機器人輔助人工頸椎間盤置換手術(shù)系統(tǒng)研究”(2009AA04Z202)的資助下，在人工頸椎間盤置換手術(shù)中引入機器人技術(shù)和圖像導航技術(shù)，借助圖像導航技術(shù)，由機器人完成假體和骨配合面的定位

2、與磨削，以此獲得精確的植入假體配合面，輔助醫(yī)生提高頸椎間盤置換手術(shù)質(zhì)量。論文針對人工頸椎間盤置換手術(shù)的特點，建立了機器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)系統(tǒng)，并對機器人輔助手術(shù)導航、手術(shù)輔助機器人、機器人輔助手術(shù)規(guī)劃技術(shù)等展開研究，為機器人輔助手術(shù)的實用化奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
　　論文以醫(yī)學理論及人工頸椎間盤置換手術(shù)為指導，綜合考慮安全性、實用性和可靠性等多方面因素，提出機器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，據(jù)此構(gòu)建機器人輔助頸椎間盤置換

3、手術(shù)系統(tǒng)。設(shè)計基于Stewart平臺6-UPS型并聯(lián)機器人系統(tǒng)用于植入假體配合面的磨削，并詳細闡述其機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計，該手術(shù)機器人系統(tǒng)依據(jù)術(shù)前和術(shù)中規(guī)劃能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位和磨削，提高了手術(shù)的準確性和穩(wěn)定性。建立基于光學定位的機器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)導航系統(tǒng)，詳細描述了手術(shù)導航系統(tǒng)的硬件和軟件組成，給出了其關(guān)鍵技術(shù)，并定義了其空間配準坐標系，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)管理、圖像顯示、圖像處理、三維重建、手術(shù)規(guī)劃、通訊接口、手術(shù)配準和手術(shù)導

4、航等功能，能夠借助圖像導航技術(shù)完成機器人的定位與磨削。
　　機器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)導航中，CT圖像三維重建是手術(shù)導航的基礎(chǔ)，“圖像—患者—機器人”之間的空間配準是手術(shù)導航的關(guān)鍵。為了方便選擇CT圖像三維重建的閾值，并提高重建的交互性和準確性，利用MS算法生成等值線來進行MC三維重建算法中閾值的精確選擇，該方法比單純根據(jù)經(jīng)驗確定重建閾值更方便和準確，并符合手術(shù)對人機交互性的要求。為了解決ICP配準算法局部收斂的問題，基于病人 C

5、T掃描位姿和手術(shù)位姿的一致性，提出了基于坐標系方向貼合的ICP算法，以減小CT圖像空間與病人空間的旋轉(zhuǎn)錯位，該方法利用三平面法建立患者坐標系實現(xiàn)了“圖像—患者”之間的術(shù)中配準。以機器人動平臺上表面為測量基準，利用光學定位器，采用平面測量法實現(xiàn)了“患者—機器人”之間的空間坐標變換。
　　在機器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)系統(tǒng)中，采用6-UPS型并聯(lián)機器人代替人工手術(shù)器械完成植入假體配合面的磨削。手術(shù)輔助機器人除了具有合理的結(jié)構(gòu)形式和足夠的

6、自由度數(shù)之外，其末端不僅在一定連續(xù)空間內(nèi)具有正常工作的能力、較好的靈活性和較高的剛度，而且在運動軌跡上具有最佳的運動和力傳遞性能，還應具有較高的定位精度。針對6-UPS型并聯(lián)機構(gòu)性能問題，建立了6-UPS型并聯(lián)機器人逆運動學方程，利用矢量構(gòu)造法求解了并聯(lián)機器人的雅克比矩陣，分析了該6-UPS型并聯(lián)機器人在頸椎間盤置換手術(shù)中的應用背景下的工作空間、靈巧性和靜剛度等機構(gòu)性能。采用基于光學定位的平面測量法對6-UPS型并聯(lián)機器人進行了運動學標

7、定，提高了手術(shù)輔助機器人的定位精度。
　　為了實現(xiàn)機器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)的對刀和磨削，需要進行手術(shù)輔助機器人術(shù)前位姿規(guī)劃和術(shù)中運動規(guī)劃。采用基于圖像的三點規(guī)劃方法實現(xiàn)了機器人末端執(zhí)行器術(shù)前位姿規(guī)劃，該方法完成了頸椎骨磨削的對刀功能。進行了機器人輔助手術(shù)術(shù)中運動規(guī)劃，實現(xiàn)了針對實驗假體的手術(shù)輔助機器人對刀、平面磨削和球面磨削。為了驗證機器人輔助手術(shù)導航的功能性和有效性，利用手術(shù)導航技術(shù)和術(shù)前手術(shù)規(guī)劃方法執(zhí)行了手術(shù)輔助機器人定位和