機器人輔助全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)系統(tǒng)及其關(guān)鍵視覺技術(shù)分析.pdf

1、隨著計算機技術(shù)和機器人學(xué)的發(fā)展，機器人外科手術(shù)的研究非常活躍，并且出現(xiàn)了一些實用化系統(tǒng)，但是到目前為止還沒有直接針對膝關(guān)節(jié)手術(shù)的研究成果和系統(tǒng)出現(xiàn)。然而全世界每年有成千上萬的患有膝關(guān)節(jié)疾病(如風(fēng)濕、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，骨關(guān)節(jié)炎)的病人接受了全膝關(guān)節(jié)置換(TotalKneeReplacement，TKR)手術(shù)，期望在一定程度上恢復(fù)行動，減輕痛苦。TKR手術(shù)的效果主要取決于手術(shù)定位和假體安裝的精確程度。目前，TKR手術(shù)中廣泛使用傳統(tǒng)的夾具系統(tǒng)來

2、進行切割定位，定位精度主要依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗，而且夾具系統(tǒng)種類眾多，操作繁瑣。這無疑增加了手術(shù)的不確定性，影響了假體的安裝精度及膝關(guān)節(jié)運動功能的重建。 傳統(tǒng)機器人輔助全膝關(guān)節(jié)手術(shù)系統(tǒng)存在的定位精度差，初始定位難等諸多缺點一直是人們的研究熱點之一。本文基于機器人集成手術(shù)系統(tǒng)的理念，針對全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，使用了機器人輔助全膝關(guān)節(jié)手術(shù)系統(tǒng)(RASSTKR,RobotAssistedSurgicalSystemforTotalKneeRe

3、placement)的概念及命名方式。對RASSTKR系統(tǒng)的構(gòu)建、定位跟蹤、標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)在理論性與應(yīng)用性上進行了全面的研究，主要工作如下： 不管是從技術(shù)的可重復(fù)性還是經(jīng)濟利益角度考慮，只針對一個手術(shù)應(yīng)用而專門開發(fā)的系統(tǒng)都是欠高效的。本文首先就如何利用現(xiàn)有的RASSTKR系統(tǒng)的理論方法、技術(shù)與設(shè)備開發(fā)髖關(guān)節(jié)置換、腦外科手術(shù)等相近手術(shù)，以及提供與這些手術(shù)的擴展接口等重要問題，在理論層面上闡述了RASSTKR系統(tǒng)的擴展性，并從更廣的

4、概念上建立了可擴展的RASSTKR架構(gòu)模型。這為新的手術(shù)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。 視覺(光學(xué))定位跟蹤技術(shù)是RASSTKR系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文詳細介紹了RASSTKR攝像機定位模型，描述了模型的建立過程與算法流程，同時在文中根據(jù)計算機視覺理論并結(jié)合膝關(guān)節(jié)的生理特點及手術(shù)要求，提出了一種新的股骨定位方法，為RASSTKR的手術(shù)實現(xiàn)提供了最直接的理論保障。 本文又重點介紹了RASSTKR的光學(xué)標(biāo)定技術(shù)—探針標(biāo)定

5、、攝像機標(biāo)定、手眼標(biāo)定。在探針標(biāo)定技術(shù)中詳細探討了探針標(biāo)定的實現(xiàn)過程并提出了探針新的點標(biāo)定方法。在攝像機標(biāo)定中，對攝像機標(biāo)定過程進行了詳細的討論，并且在此基礎(chǔ)上討論了立體視覺攝像機標(biāo)定原理。對手眼式RASSTKR系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)—手眼標(biāo)定問題，本文首先對機器人手眼標(biāo)定的基本概念及傳統(tǒng)的解決方案作了簡要的總結(jié)，然后針對RASSTKR中的立體視覺系統(tǒng)提出了立體視覺手眼標(biāo)定新方案，充分利用雙目攝像機之間以及攝像機與機器人手爪之間的約束關(guān)系解決