顱頜面穿刺機(jī)器人系統(tǒng)研究.pdf

1、顱頜面外科疾病嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，因此研究有效的手術(shù)療法是臨床迫切需要解決的問題。人工針穿刺是目前該領(lǐng)域比較常見的診療手段，但該方法存在一些固有的缺點(diǎn)。首先，手術(shù)涉及的區(qū)域結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，要求操作醫(yī)生具有較高的專業(yè)技能和豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)；其次，手術(shù)過程中由于操作者的手臂抖動(dòng)和視覺誤差，導(dǎo)致穿刺路徑偏離術(shù)前規(guī)劃，造成傷害。
　　手術(shù)機(jī)器人的使用為解決該問題提供了有效途徑。采用機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)協(xié)助醫(yī)生完成穿刺手術(shù)除了具有人工穿刺術(shù)的一般優(yōu)

2、點(diǎn)外，還具備定位準(zhǔn)確、操作穩(wěn)定、便捷易用等特點(diǎn)，成為目前顱頜面外科穿刺手術(shù)的研究熱點(diǎn)。本文針對(duì)該熱點(diǎn)，研究適用于顱頜面穿刺的專用機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)、導(dǎo)航、控制等關(guān)鍵問題。
　　課題與北京大學(xué)附屬口腔醫(yī)院合作，結(jié)合臨床醫(yī)師的人工顱頜面穿刺手術(shù)實(shí)踐，探討機(jī)器人穿刺手術(shù)流程，并制定了機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的整體方案，構(gòu)建出一種應(yīng)用視覺導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)顱頜面自動(dòng)穿刺的專用機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括六自由度機(jī)器人、光學(xué)定位裝置、六維力傳感器在內(nèi)的硬件系統(tǒng)，和由

3、運(yùn)動(dòng)控制、空間配準(zhǔn)、安全機(jī)制等多個(gè)控制模塊構(gòu)成的上位機(jī)控制系統(tǒng)。
　　為研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性，采用D-H法對(duì)手術(shù)機(jī)器人建模，利用解析法求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，Matlab Robotics Toolbox函數(shù)驗(yàn)證求解結(jié)果的正確性。之后通過矢量積法求解雅克比矩陣，拉格朗日法一般化動(dòng)力學(xué)方程，蒙特卡洛法建立運(yùn)動(dòng)空間。
　　結(jié)合光學(xué)定位系統(tǒng)，研究了手術(shù)機(jī)器人與光學(xué)定位器之間的空間配準(zhǔn)問題。提出了包括平面測(cè)量配準(zhǔn)法、旋轉(zhuǎn)配準(zhǔn)法、直線旋轉(zhuǎn)自動(dòng)配準(zhǔn)

4、法在內(nèi)的三種配準(zhǔn)算法，并通過實(shí)驗(yàn)比較三者的配準(zhǔn)精度，為最終的模擬實(shí)驗(yàn)提供配準(zhǔn)矩陣。
　　研究了機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的安全機(jī)制，提出了按手術(shù)空間劃分的多種安全控制策略。在位姿設(shè)定空間，引入阻抗控制策略實(shí)現(xiàn)術(shù)前柔順調(diào)整；在直線進(jìn)針空間，采取力超限即原路徑返回策略；在彈射取檢空間，采取絕對(duì)靜止策略。
　　最后，對(duì)所構(gòu)建的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證其實(shí)用性。首先進(jìn)行基于三種工作空間的安全控制試驗(yàn)和末端手術(shù)器械的跟隨實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了手術(shù)機(jī)