计算机辅助骨科手术中的关键技术研究

发布时间：2021-04-21 18:25

　　随着计算机技术的发展,传统的医疗手术已进入数字化时代。以计算机辅助骨科手术（Computer Assistant Orthopedics Surgery,CAOS）为代表的数字化外科手术,也进入了一个全新的发展阶段。计算机辅助手术结合了医学、计算机学以及智能控制科学,近年来与之相关的研究逐渐增多。CAOS技术可以缩短医务工作者在X射线中暴露的时长,同时提高手术精度,减小创伤。本文以鑫君特公司自主研发的六自由度骨科手术机械臂KM-Robot为研究平台,围绕骨科手术导航领域的手术机械臂术前绝对精度标定、术中位姿检测以及数字重建放射影像光源位置计算和二维、三维图像配准展开深入研究,并针对研究中发现的问题提出了解决方案。本文主要研究内容如下:第一,本文针对骨科手术机械臂在进行椎弓根穿刺手术时,绝对定位精度差的问题进行深入研究,提出一种基于遗传算法的多阶段标定算法,并以此方法对手术机械臂进行了标定以及精度修正,最后通过NDI Optotrak进行实验,验证了标定后的手术机械臂的绝对定位精度。第二,本文提出一种结合ArUco标记码和透视n点投影（PnP）算法的机械臂位姿检测方法,在手术导航的过程中... 

【文章来源】：江苏科技大学江苏省

【文章页数】：101 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
    1.3 骨科手术导航的基本原理
    1.4 本文主要研究内容以及创新点
        1.4.1 研究内容
        1.4.2 本文创新点
        1.4.3 论文结构安排
第2章 骨科手术机械臂标定与校正
    2.1 机械臂标定基本原理
        2.1.1 机械臂标定原理与步骤
        2.1.2 手术机械臂KM-bot运动学参数建模
        2.1.3 机械臂前向运动学
        2.1.4 误差参数模型
    2.2 标定算法
        2.2.1 基于莱文贝格-马夸特算法的机械臂标定
        2.2.2 基于遗传算法（genetic algorithm,GA）的机械臂标定
        2.2.3 算法优化
    2.3 实验方案设计以及实验数据获取
        2.3.1 基于标定板和千分尺的实验方案设计
        2.3.2 基于NDI Optotrak Certes的实验方案设计
    2.4 实验结果分析与对比
        2.4.1 实验结果分析
        2.4.2 基于角度修正的误差补偿
        2.4.3 实验结果对比
    2.5 本章小结
第3章 基于ArUco算法库的手术机械臂位姿检测
    3.1 检测系统设计
        3.1.1 系统构建
        3.1.2 检测方案设计
    3.2 视觉检测相关理论
        3.2.1 相机标定
        3.2.2 ArUco算法库
        3.2.3 Perspective-n-Point算法
        3.2.4 坐标变换
    3.3 实验设计及结果分析
        3.3.1 实验方案设计
        3.3.2 位姿测量结果
        3.3.3 不同PnP算法对位移测量的影响以及算法性能测试
    3.4 本章小结
第4章 基于相机姿态估计算法改进的数字重建放射影像
    4.1 数字重建放射影像算法基本原理
        4.1.1 光线投射以及光线追踪算法
        4.1.2 数字重建放射影像算法
    4.2 基于ITK算法库的DRR算法设计
        4.2.1 ITK算法库简介
        4.2.2 ITK算法库的设计思想
        4.2.3 DRR算法设计
    4.3 利用特殊标定板改进DRR算法
        4.3.1 C型臂X光机结构与原理
        4.3.2 标定板结构
        4.3.3 C型臂光源位置重建计算
    4.4 本章小节
第5章 二维三维图像配准算法优化研究
    5.1 图像配准算法相关理论
        5.1.1 图像配准技术的相关原理与数学模型
        5.1.2 图像配准方法分类
        5.1.3 配准框架的基本流程
    5.2 二维三维图像配准
        5.2.1 二维三维配准框架
        5.2.2 互信息测度基本理论
        5.2.3 基于互信息测度的图像配准
        5.2.4 配准结果评估
    5.3 基于Amoeba优化和金字塔机制的配准算法
        5.3.1 Amoeba算法
        5.3.2 图像金字塔策略
        5.3.3 不同配准策略性能比较实验
    5.4 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 问题与展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]遗传算法在随机分布控制中的应用综述[J]. 洪越.  现代工业经济和信息化. 2018(17)
[2]骨科手术机器人研究进展[J]. 郭硕,郭征.  武警医学. 2018(10)
[3]脊柱外科手术机器人引导治疗胸腰椎骨折的疗效[J]. 朱金文,田建宁,王晓东,张新亮,高文杰,郝定均.  临床骨科杂志. 2018(04)
[4]基于磁共振影像重建技术的三维打印膝关节疾病模型在骨科教学中的应用[J]. 陈为坚,陈奕雄,陈慧华.  中国当代医药. 2018(22)
[5]脊柱CT图像的椎弓根螺钉置入自动路径规划方法[J]. 王波,刘侠,吴云龙.  哈尔滨理工大学学报. 2018(04)
[6]示教机械臂运动学参数标定综述[J]. 张幼财,汪建晓,秦磊.  佛山科学技术学院学报(自然科学版). 2018(03)
[7]脊柱微创手术辅助机器人结构设计与优化[J]. 杨朝,冯源,王石刚.  机电一体化. 2018(04)
[8]基于模糊C均值聚类的锦标赛选择机制与多目标优化研究[J]. 张屹,余振,李子木,陆瞳瞳.  电子学报. 2017(11)
[9]基于LM算法的机器人运动学标定[J]. 皇甫亚波,杭鲁滨,程武山,余亮,李文涛,杨国彬,沈铖玮.  轻工机械. 2017(04)
[10]基于传统遗传算法的改进与研究[J]. 周文荣.  无线互联科技. 2017(11)

硕士论文
[1]基于ITK的医学配准算法研究实现[D]. 周立恒.厦门大学 2014
[2]基于互信息和蚁群算法的多分辨率二维—三维医学图像配准的研究[D]. 林蔚.广西大学 2013
[3]快速凸包计算实现及其应用[D]. 毛鹏.西安电子科技大学 2013
[4]基于VTK和ITK算法库的研究与应用[D]. 伍云智.南昌大学 2010



本文编号：3152258