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

【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。