膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中的機器人切骨系統(tǒng)研究與開發(fā).pdf

1、20世紀(jì)以來，醫(yī)學(xué)技術(shù)和醫(yī)療設(shè)備的不斷升級讓醫(yī)療外科取得巨大的進步。醫(yī)療外科的改革也不斷的被提上了日程，機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)在臨床醫(yī)療中的使用越來越普遍，例如全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)、全髖關(guān)節(jié)置換等輔助手術(shù)機器人系統(tǒng)。但是像ROBODOC、CASPAR、ACROBOT等骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)，由于售價十分高昂導(dǎo)致其在中國和其他發(fā)展中國家還未能得到推廣和普及。所以有必要開展膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中切骨系統(tǒng)的研究與開發(fā)，旨在提高國內(nèi)骨科手術(shù)機器人研究水平。通過對

2、膝關(guān)節(jié)置換機器人系統(tǒng)的調(diào)研得知其應(yīng)具備以下功能：手術(shù)機器人及其實體控制；基于CT圖像的三維模型重建；基于視覺的定位導(dǎo)航。本課題的研究目標(biāo)就在于研究和開發(fā)一套機器人輔助全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中的切骨系統(tǒng)，其主要包括以下方面：
　　首先，機器人輔助切骨系統(tǒng)構(gòu)建：1）膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中重要的概念進行詳細說明，例如脛骨平臺、股骨干線、下肢力線、膝關(guān)節(jié)假體等；2）對傳統(tǒng)人工的膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的股骨切骨和脛骨切骨部分進行了簡要介紹，主要目的在于方便后續(xù)

3、章節(jié)的展開；3）針對膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中機器人切骨系統(tǒng)的硬件進行選取，主要包括切骨機器人本體、深度視覺傳感器、機器人末端切骨執(zhí)行器的選取；4）針對膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中機器人切骨系統(tǒng)的軟件控制系統(tǒng)功能模塊進行分析并加以實現(xiàn)。
　　其次，對切骨標(biāo)定的方法和技術(shù)展開詳細分析：1）提出 Xtion相機的內(nèi)參標(biāo)定和Xtion相機坐標(biāo)系到機器人基座標(biāo)系手眼標(biāo)定的具體方法；2）完成股骨、脛骨關(guān)鍵點視覺定位工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計；3）對標(biāo)志板和探針標(biāo)記點的三維坐

4、標(biāo)提取算法做了詳細介紹和實現(xiàn)；4）利用視覺定位工具和視覺系統(tǒng)完成建立股骨和脛骨坐標(biāo)系，并對股骨和脛骨的標(biāo)定進行詳細分析和推導(dǎo)；5）對切骨標(biāo)定方法進行了精度誤差分析。
　　然后，對操作臂切骨運動規(guī)劃和實現(xiàn)進行分析：1）在對UR5機器人進行正逆運動學(xué)分析和推導(dǎo)；2）利用探針提取股骨、脛骨關(guān)鍵特征點完成股骨和脛骨的建模，從而選取對應(yīng)的假體，最后結(jié)合假體的關(guān)鍵尺寸來生成對應(yīng)的切骨面；3）根據(jù)生成的切骨面并結(jié)合不同切骨面的切骨方式完成各切骨

5、面的軌跡規(guī)劃。
　　最后，利用機器人切骨系統(tǒng)完成模型骨切骨實驗：1）ROS平臺下完成切骨動作的仿真實驗；2）利用機器人切骨系統(tǒng)完成模型骨切骨實驗；3）切骨下肢力線的重建效果的檢驗和機器人切骨系統(tǒng)評估。
　　本文通過全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)機器人切骨系統(tǒng)進行了全面的介紹，以及完成對模型骨切骨實驗，充分驗證了全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)機器人切骨系統(tǒng)的可行性，主要包括股骨脛骨標(biāo)定方法的可行性，標(biāo)志點實時跟蹤和定位算法的可行性，操作臂運動規(guī)劃的可行性