發(fā)布時間：2017-09-18 12:10

  本文關(guān)鍵詞：機(jī)器人輔助骨科手術(shù)導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 手術(shù)導(dǎo)航 C形臂 機(jī)器人 輔助導(dǎo)引

【摘要】：機(jī)器人輔助骨科手術(shù)是當(dāng)前骨科領(lǐng)域研究的熱點,它是典型的醫(yī)工結(jié)合技術(shù),能夠保護(hù)醫(yī)生和患者,減少X射線的傷害,同時能夠提高手術(shù)定位精度,減少手術(shù)創(chuàng)傷,縮短手術(shù)時間。手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)是機(jī)器人輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)的核心技術(shù),本文針對基于C形臂X光機(jī)的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)及機(jī)器人輔助導(dǎo)航定位技術(shù)進(jìn)行了研究,分別實現(xiàn)了跟蹤和定位兩大關(guān)鍵技術(shù)。跟蹤即術(shù)中在導(dǎo)航界面上實時顯示手術(shù)工具投影和病人患骨的透視圖像,給醫(yī)生實時提供手術(shù)工具與患骨的相對位置和姿態(tài)關(guān)系。定位即實現(xiàn)手術(shù)工具和機(jī)器人到達(dá)所規(guī)劃的位置。本文研究的主要內(nèi)容如下:第一,對校準(zhǔn)靶透視圖像中標(biāo)志物投影的識別與參數(shù)提取進(jìn)行了研究。設(shè)計了導(dǎo)航系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件——校準(zhǔn)靶;對透視圖像中圓形或類圓形目標(biāo)的識別方法進(jìn)行了研究,最后選擇閾值分割與連通量處理相結(jié)合的算法,借助ITK和VTK實現(xiàn)了圖像的可變閾值分割,省去了閾值求解過程,實現(xiàn)了快速分割,并最終提取了目標(biāo)參數(shù)。第二,對圖像變形校正進(jìn)行了研究。對C形臂X光圖像的變形及其成因進(jìn)行了研究;在分析了全局法與局部法的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上,針對圖像中控制點較少的情況提出一種移動最小二乘法(Moving Least Square,MLS)與多項式擬合相結(jié)合的圖像校正方法。通過此方法保證了在控制點較少情況下的校正精度。第三,對相機(jī)標(biāo)定進(jìn)行了研究。對已有校準(zhǔn)方法進(jìn)行了分析研究,并比較了各個方法的優(yōu)缺點。針對相機(jī)校準(zhǔn)中存在的過渡環(huán)節(jié)多及變換參數(shù)求解復(fù)雜等問題,本文提出了一種線性標(biāo)定融合誤差補(bǔ)償?shù)南鄼C(jī)標(biāo)定實現(xiàn)方法,該方法忽略相機(jī)模型,減少了中間過渡環(huán)節(jié),參數(shù)求解變得簡單,提高了效率。第四,對機(jī)器人輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的全空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)及機(jī)器人硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法進(jìn)行了研究。研究了圖像中規(guī)劃的工具投影變換到患骨坐標(biāo)系下的方法,并基于光學(xué)定位系統(tǒng)建立了患骨坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系,從而建立圖像坐標(biāo)系到機(jī)器人坐標(biāo)系的變換。在沒有工作站與機(jī)器人通訊軟件包的情況下,以PLC作轉(zhuǎn)接,成功實現(xiàn)了工作站到KUKA的數(shù)據(jù)傳輸,為機(jī)器人輔助導(dǎo)引奠定了基礎(chǔ)。最后,自主開發(fā)了導(dǎo)航軟件系統(tǒng),搭建了機(jī)器人輔助骨科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)實驗研究平臺,同時以脊柱模型為實驗對象進(jìn)行了相關(guān)實驗:導(dǎo)航定位位置實驗、導(dǎo)航定位姿態(tài)實驗和機(jī)器人輔助導(dǎo)引實驗。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對誤差進(jìn)行了分析,同時為減小誤差提出了相應(yīng)的措施。
【關(guān)鍵詞】：手術(shù)導(dǎo)航 C形臂 機(jī)器人 輔助導(dǎo)引
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R687;TP242
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-23
• 1.1 課題背景及研究意義11-12
• 1.2 手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-17
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3 基于C形臂的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理及關(guān)鍵技術(shù)17-21
• 1.3.1 基于C形臂的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理17-19
• 1.3.2 基于C形臂手術(shù)導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)19-21
• 1.4 課題主要研究內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)21-22
• 1.5 本章小結(jié)22-23
• 第二章 X光圖像畸變校正方法研究23-41
• 2.1 C形臂X光圖像幾何失真類型及成因23-25
• 2.2 基于移動最小二乘法與多項式擬合的混合校正算法25-34
• 2.2.1 移動最小二乘法26-31
• 2.2.2 全局多項式擬合31-33
• 2.2.3 混合校正算法33-34
• 2.3 校正后圖像中像素灰度計算34
• 2.4 實驗與分析34-40
• 2.4.1 校準(zhǔn)靶的設(shè)計35
• 2.4.2 校準(zhǔn)靶圖像中標(biāo)志物參數(shù)提取35-37
• 2.4.3 圖像幾何變形校正37-40
• 2.5 小結(jié)40-41
• 第三章 手術(shù)工具實體實時可視化研究41-54
• 3.1 C形臂相機(jī)校準(zhǔn)41-46
• 3.1.1 相機(jī)標(biāo)定模型41-42
• 3.1.2 相機(jī)校準(zhǔn)方法概述42-43
• 3.1.3 Faugeras相機(jī)校準(zhǔn)方法及其改進(jìn)方法43-46
• 3.1.4 一種新的相機(jī)標(biāo)定解決方案46
• 3.2 定位跟蹤技術(shù)在導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用46-48
• 3.3 手術(shù)實體在二維X光圖像中的實時可視化48-49
• 3.4 實驗及分析49-53
• 3.5 小結(jié)53-54
• 第四章 機(jī)器人輔助導(dǎo)引研究54-61
• 4.1 圖像坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系變換的原理54-57
• 4.1.1 雙平面校準(zhǔn)法求解反投射問題55-56
• 4.1.2 導(dǎo)引工具規(guī)劃投影到患骨坐標(biāo)系的變換56-57
• 4.1.3 導(dǎo)引工具規(guī)劃姿態(tài)到KUKA機(jī)器人空間的變換57
• 4.2 工作站與KUKA機(jī)器人數(shù)據(jù)傳輸57-59
• 4.3 實驗與分析59-60
• 4.4 小結(jié)60-61
• 第五章 導(dǎo)航實驗研究61-74
• 5.1 導(dǎo)航系統(tǒng)搭建及手術(shù)工具設(shè)計61-62
• 5.2 導(dǎo)航軟件設(shè)計62-64
• 5.3 導(dǎo)航實驗64-70
• 5.3.1 導(dǎo)航定位位置實驗65-68
• 5.3.2 導(dǎo)航定位姿態(tài)實驗68-70
• 5.4 機(jī)器人輔助導(dǎo)引實驗70-72
• 5.5 導(dǎo)航誤差分析72-73
• 5.6 小結(jié)73-74
• 第六章 總結(jié)與展望74-76
• 6.1 全文總結(jié)74
• 6.2 研究展望74-76
• 參考文獻(xiàn)76-83
• 攻讀學(xué)位期間本人出版或公開發(fā)表的論著、論文83-84
• 致謝84-85

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