脊柱微創(chuàng)手術(shù)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(shù)對手術(shù)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(dǎo)的脊柱微創(chuàng)手術(shù)機器人(Minimally Invasive Spine Surgical Robot,MISSR)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括醫(yī)學(xué)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(dǎo)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(shù)操作平臺，使手術(shù)工具避開脊柱手術(shù)區(qū)域的敏感組織，精確到達(dá)病灶部位，提高手術(shù)成功率、減小手術(shù)風(fēng)險、減少手術(shù)并發(fā)癥。<

2、br>　　 MISSR系統(tǒng)的定位精度是臨床應(yīng)用最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，對于提高手術(shù)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(fù)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(chǔ)上，建立系統(tǒng)定位誤差鏈模型，對其中的關(guān)鍵技術(shù)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(xì)分析，主要工作如下：
　　

3、(1)在分析MISSR系統(tǒng)總體架構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)本系統(tǒng)特點建立了分層控制的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，介紹了系統(tǒng)主要模塊設(shè)計原則。分析了系統(tǒng)各個坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系和手術(shù)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(biāo)系映射誤差、手術(shù)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(biāo)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(biāo)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(guān)系，并對比了不同空間映射算法對映射精度的影響。設(shè)計了適合系統(tǒng)特點的標(biāo)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(biāo)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(xué)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(gòu)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(xué)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(luò)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(shù)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(shè)計了相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動方案，通過調(diào)整相關(guān)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(shù)，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(dǎo)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(shù)室條件下的活體動物實驗，通過實驗驗證了本文提出相關(guān)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(shù)臨床應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。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(shù)機器人領(lǐng)域相關(guān)研究工作提供參