機(jī)器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)系統(tǒng)構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、人工頸椎間盤置換手術(shù)在治療頸椎病方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但開(kāi)展的并不廣泛，這主要是由于手術(shù)復(fù)雜、操作困難和一般的醫(yī)生難以掌握。手術(shù)中的難點(diǎn)是在正確的位置磨削出與植入假體相配合的骨關(guān)節(jié)面，治療效果嚴(yán)重依賴于醫(yī)生的手術(shù)技能和臨床經(jīng)驗(yàn)。本文在國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目“機(jī)器人輔助人工頸椎間盤置換手術(shù)系統(tǒng)研究”(2009AA04Z202)的資助下，在人工頸椎間盤置換手術(shù)中引入機(jī)器人技術(shù)和圖像導(dǎo)航技術(shù)，借助圖像導(dǎo)航技術(shù)，由機(jī)器人完成假體和骨配合面的定位

2、與磨削，以此獲得精確的植入假體配合面，輔助醫(yī)生提高頸椎間盤置換手術(shù)質(zhì)量。論文針對(duì)人工頸椎間盤置換手術(shù)的特點(diǎn)，建立了機(jī)器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)系統(tǒng)，并對(duì)機(jī)器人輔助手術(shù)導(dǎo)航、手術(shù)輔助機(jī)器人、機(jī)器人輔助手術(shù)規(guī)劃技術(shù)等展開(kāi)研究，為機(jī)器人輔助手術(shù)的實(shí)用化奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
　　論文以醫(yī)學(xué)理論及人工頸椎間盤置換手術(shù)為指導(dǎo)，綜合考慮安全性、實(shí)用性和可靠性等多方面因素，提出機(jī)器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，據(jù)此構(gòu)建機(jī)器人輔助頸椎間盤置換

3、手術(shù)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)基于Stewart平臺(tái)6-UPS型并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)用于植入假體配合面的磨削，并詳細(xì)闡述其機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)依據(jù)術(shù)前和術(shù)中規(guī)劃能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位和磨削，提高了手術(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。建立基于光學(xué)定位的機(jī)器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，詳細(xì)描述了手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件和軟件組成，給出了其關(guān)鍵技術(shù)，并定義了其空間配準(zhǔn)坐標(biāo)系，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)管理、圖像顯示、圖像處理、三維重建、手術(shù)規(guī)劃、通訊接口、手術(shù)配準(zhǔn)和手術(shù)導(dǎo)

4、航等功能，能夠借助圖像導(dǎo)航技術(shù)完成機(jī)器人的定位與磨削。
　　機(jī)器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)導(dǎo)航中，CT圖像三維重建是手術(shù)導(dǎo)航的基礎(chǔ)，“圖像—患者—機(jī)器人”之間的空間配準(zhǔn)是手術(shù)導(dǎo)航的關(guān)鍵。為了方便選擇CT圖像三維重建的閾值，并提高重建的交互性和準(zhǔn)確性，利用MS算法生成等值線來(lái)進(jìn)行MC三維重建算法中閾值的精確選擇，該方法比單純根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定重建閾值更方便和準(zhǔn)確，并符合手術(shù)對(duì)人機(jī)交互性的要求。為了解決ICP配準(zhǔn)算法局部收斂的問(wèn)題，基于病人 C

5、T掃描位姿和手術(shù)位姿的一致性，提出了基于坐標(biāo)系方向貼合的ICP算法，以減小CT圖像空間與病人空間的旋轉(zhuǎn)錯(cuò)位，該方法利用三平面法建立患者坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)了“圖像—患者”之間的術(shù)中配準(zhǔn)。以機(jī)器人動(dòng)平臺(tái)上表面為測(cè)量基準(zhǔn)，利用光學(xué)定位器，采用平面測(cè)量法實(shí)現(xiàn)了“患者—機(jī)器人”之間的空間坐標(biāo)變換。
　　在機(jī)器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)系統(tǒng)中，采用6-UPS型并聯(lián)機(jī)器人代替人工手術(shù)器械完成植入假體配合面的磨削。手術(shù)輔助機(jī)器人除了具有合理的結(jié)構(gòu)形式和足夠的

6、自由度數(shù)之外，其末端不僅在一定連續(xù)空間內(nèi)具有正常工作的能力、較好的靈活性和較高的剛度，而且在運(yùn)動(dòng)軌跡上具有最佳的運(yùn)動(dòng)和力傳遞性能，還應(yīng)具有較高的定位精度。針對(duì)6-UPS型并聯(lián)機(jī)構(gòu)性能問(wèn)題，建立了6-UPS型并聯(lián)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，利用矢量構(gòu)造法求解了并聯(lián)機(jī)器人的雅克比矩陣，分析了該6-UPS型并聯(lián)機(jī)器人在頸椎間盤置換手術(shù)中的應(yīng)用背景下的工作空間、靈巧性和靜剛度等機(jī)構(gòu)性能。采用基于光學(xué)定位的平面測(cè)量法對(duì)6-UPS型并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)

7、定，提高了手術(shù)輔助機(jī)器人的定位精度。
　　為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)的對(duì)刀和磨削，需要進(jìn)行手術(shù)輔助機(jī)器人術(shù)前位姿規(guī)劃和術(shù)中運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。采用基于圖像的三點(diǎn)規(guī)劃方法實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人末端執(zhí)行器術(shù)前位姿規(guī)劃，該方法完成了頸椎骨磨削的對(duì)刀功能。進(jìn)行了機(jī)器人輔助手術(shù)術(shù)中運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)實(shí)驗(yàn)假體的手術(shù)輔助機(jī)器人對(duì)刀、平面磨削和球面磨削。為了驗(yàn)證機(jī)器人輔助手術(shù)導(dǎo)航的功能性和有效性，利用手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)和術(shù)前手術(shù)規(guī)劃方法執(zhí)行了手術(shù)輔助機(jī)器人定位和