機(jī)器人輔助全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)系統(tǒng)及其關(guān)鍵視覺(jué)技術(shù)分析.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人學(xué)的發(fā)展，機(jī)器人外科手術(shù)的研究非?；钴S，并且出現(xiàn)了一些實(shí)用化系統(tǒng)，但是到目前為止還沒(méi)有直接針對(duì)膝關(guān)節(jié)手術(shù)的研究成果和系統(tǒng)出現(xiàn)。然而全世界每年有成千上萬(wàn)的患有膝關(guān)節(jié)疾病(如風(fēng)濕、類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，骨關(guān)節(jié)炎)的病人接受了全膝關(guān)節(jié)置換(TotalKneeReplacement，TKR)手術(shù)，期望在一定程度上恢復(fù)行動(dòng)，減輕痛苦。TKR手術(shù)的效果主要取決于手術(shù)定位和假體安裝的精確程度。目前，TKR手術(shù)中廣泛使用傳統(tǒng)的夾具系統(tǒng)來(lái)

2、進(jìn)行切割定位，定位精度主要依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，而且?jiàn)A具系統(tǒng)種類(lèi)眾多，操作繁瑣。這無(wú)疑增加了手術(shù)的不確定性，影響了假體的安裝精度及膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能的重建。 傳統(tǒng)機(jī)器人輔助全膝關(guān)節(jié)手術(shù)系統(tǒng)存在的定位精度差，初始定位難等諸多缺點(diǎn)一直是人們的研究熱點(diǎn)之一。本文基于機(jī)器人集成手術(shù)系統(tǒng)的理念，針對(duì)全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，使用了機(jī)器人輔助全膝關(guān)節(jié)手術(shù)系統(tǒng)(RASSTKR,RobotAssistedSurgicalSystemforTotalKneeRe

3、placement)的概念及命名方式。對(duì)RASSTKR系統(tǒng)的構(gòu)建、定位跟蹤、標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)在理論性與應(yīng)用性上進(jìn)行了全面的研究，主要工作如下： 不管是從技術(shù)的可重復(fù)性還是經(jīng)濟(jì)利益角度考慮，只針對(duì)一個(gè)手術(shù)應(yīng)用而專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)都是欠高效的。本文首先就如何利用現(xiàn)有的RASSTKR系統(tǒng)的理論方法、技術(shù)與設(shè)備開(kāi)發(fā)髖關(guān)節(jié)置換、腦外科手術(shù)等相近手術(shù)，以及提供與這些手術(shù)的擴(kuò)展接口等重要問(wèn)題，在理論層面上闡述了RASSTKR系統(tǒng)的擴(kuò)展性，并從更廣的

4、概念上建立了可擴(kuò)展的RASSTKR架構(gòu)模型。這為新的手術(shù)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。 視覺(jué)(光學(xué))定位跟蹤技術(shù)是RASSTKR系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文詳細(xì)介紹了RASSTKR攝像機(jī)定位模型，描述了模型的建立過(guò)程與算法流程，同時(shí)在文中根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論并結(jié)合膝關(guān)節(jié)的生理特點(diǎn)及手術(shù)要求，提出了一種新的股骨定位方法，為RASSTKR的手術(shù)實(shí)現(xiàn)提供了最直接的理論保障。 本文又重點(diǎn)介紹了RASSTKR的光學(xué)標(biāo)定技術(shù)—探針標(biāo)定

5、、攝像機(jī)標(biāo)定、手眼標(biāo)定。在探針標(biāo)定技術(shù)中詳細(xì)探討了探針標(biāo)定的實(shí)現(xiàn)過(guò)程并提出了探針新的點(diǎn)標(biāo)定方法。在攝像機(jī)標(biāo)定中，對(duì)攝像機(jī)標(biāo)定過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并且在此基礎(chǔ)上討論了立體視覺(jué)攝像機(jī)標(biāo)定原理。對(duì)手眼式RASSTKR系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)—手眼標(biāo)定問(wèn)題，本文首先對(duì)機(jī)器人手眼標(biāo)定的基本概念及傳統(tǒng)的解決方案作了簡(jiǎn)要的總結(jié)，然后針對(duì)RASSTKR中的立體視覺(jué)系統(tǒng)提出了立體視覺(jué)手眼標(biāo)定新方案，充分利用雙目攝像機(jī)之間以及攝像機(jī)與機(jī)器人手爪之間的約束關(guān)系解決