正颌外科手术机器人视觉导航与轨迹规划
发布时间：2021-10-17 09:02
手术机器人发展至今已经有近四十年历史。然而长期以来,受到技术、伦理、制度等各种因素限制,手术机器人的自主作业能力及其在临床应用领域的推广一直发展缓慢。另一方面,在医学临床领域,口腔颅颌面外科一直是数字化外科技术应用的先驱和领军力量,尤其是手术方案较为量化的正颌外科,已经广泛实现了计算机辅助设计和手术导航等数字化技术在临床上的推广应用。引入机器人技术来解决数字化设计在术中的执行问题,成为数字化正颌外科手术当前的迫切需求。本文结合正颌外科手术现有基础和临床需求,搭建了一套基于图像引导的任务自主型正颌手术机器人系统,并设计了机器人辅助正颌手术的工作流程,以提高系统精准性、安全性和自主作业能力为研究目标,针对基于术前设计数据的导航定位和轨迹规划方法开展了深入研究。本文先后在山东大学交叉学科、国家重点实验室基金、国家重点研发计划等项目的资助下,完成了以下研究内容:（1）正颌手术机器人系统设计和集成。在手术机器人系统的研发过程中,系统集成是工程技术领域需要解决的重点问题。本文首先在充分分析正颌手术临床需求基础上,通过解决多源三维影像配准、手眼标定、工具标定、数据传输等系统集成的关键问题,基于手术设...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１早期立体定向穿刺手术机器人系统和Ｎｅｕｒｏｍａｔｅ系统［２５］??
范围??内得到了广泛应用。此外，Ｃｏｍｐｕｔｅｒ?Ｍｏｔｉｏｎ公司分别在１９９３年和１９９８年公布??了腹腔手术辅助持镜手术机器人ＡＥＳＯＰ系统和主从式操作的ＺＥＵＳ系统，但该??公司在２００３年被直觉公司收购。几乎同一时期，阿姆斯特朗医疗有限公司开发??了一套与ＡＥＳＯＰ系统功能类似的持镜手术机器人Ｅｎｄｏａｓｓｉｓｔ系统。其与ＡＥＳＯＰ??系统的区别在于它不是控制台与机械臂分开式的设计，而是将控制器安装在机器??人顶部，形成了一套完整独立的系统［４３］。??應?ｎ?‘?Ｌ??图１．３腔镜类手术机器人：ｄａＶｉｎｃｉ系统和Ｅｎｄｏａｓｓｉｓｔ系统??除神经外科、骨科和腔镜手术类手术以外，放射治疗、血管介入等诸多外科??手术领域也都陆续开展了手术机器人相关的研究，如：１９８７年，为了解决基于框??架的立体定向技术只适用于头部颅内放疗手术的局限性问题，Ｊｏｈｎ?Ａｄｌｅｒ博士的??团队开发了一套名为ＣｙｂｅｒＫｍｆｅ的放疗手术机器人系统［４４，４５］；?２００５年，匹兹堡??大学和卡内基梅隆大学的Ｍａｒｃｏ?Ｚｅｎａｔｉ等人研制出采用蛇形连杆机构的心脏介??入手术机器人Ｃａｒｄｉｏｒｏｂｏｔｉｃｓ系统２００７年，Ｈａｎｓｅｎ?Ｍｅｄｉｃａｌ公司发布了主从??式机构的射频和消融手术机器人Ｓｅｎｓｅｉ系统，以及基于磁场控制的介入手术导??管型机器人Ｎ１〇ｂｅ系统【４７＃。??除此之外，还有多种类型的手术机器人在研发的过程中。面向具体应用的专??６??
?山东大学博士学位论文??．??？?騫??，ｍ?：…々??，、…Ｋ?１１?？?ｆ／?？?＾??ａＬ?■￡＇?＾??图１．４?Ｒｅｍｅｂｏｔ、妙手系统、天玑手术机器人系统、哈工大腹腔镜手术机器人系统??１．２．３颅颌面外科手桃器人研宄现状??卢页颁面外科（Ｃｒａｎｉｏｍａｘｉｌｌｏｆａｃｉａｌｓｕｒｇｅｒｙ，ＣＭＦ）是专门针对颂骨、面部及其??周围组织的一类特殊外科手术，具有术区解剖结构复杂，暴露范围孝对手术实??施精度要求较高等特点。由于所涉及的手术对象几乎涵盖了颅颌面区域的所有软、??硬组织，所以颌面外科手术的种类也是多种多样的，如颅颌面肿瘤治疗、畸形矫??正、创伤修复、颌下腺病变治疗等。与前文所述的神经外科和骨科手术机器人类??似，为了解决术前设计在术中的执行问题，提高手术过程中的安全性，颌面外科??手术机器人开始被引入临床［６１＿６４］。??世界上第一个关于颌面外科手术机器人的报道可以追溯到１９９８年，德国洪??堡大学的Ｌｕｅｔｈ等人公布的专门用于颅颌面手术的ＯＴＴＯ手术机器人系统【６５－６６］。??它采用基于三角形运动学的主从式操作的执行机构，可通过导管实现颅骨内固定??物的植入手术［６５，６６１。此外，１９９９年，德国卡尔斯鲁厄大学过程控制与机器人研??宄所公布了一种可在颅颌面手术中实现颅骨钻、铣、切削等任务的手术机器人［１４，??１５］。该系统由一个７自由度的机械臂和一套图像导航系统组成，并且在机械臂的??末端执行机构中集成了力传感器，可实现术中力觉感知，但由于整套系统体积较??８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]颅颌面肿瘤放射性粒子植入手术机器人设计与实现[J]. 段星光,陈宁宁,王永贵,孔祥战. 机械科学与技术. 2017(03)
[2]正颌外科二维头影测量与三维面颅重建测量的比较[J]. 梁立卿,孙健,李亚莉,陈立强,张燕,臧晓龙. 现代口腔医学杂志. 2016(06)
[3]Remebot无框架脑立体定向手术系统的临床应用研究[J]. 刘钰鹏,田增民,惠瑞,刘清,李红玉. 中华外科杂志. 2016 (05)
[4]三维转化头影测量与数字化侧位片头影测量的对比[J]. 王珊,韩越,林汤毅. 南京医科大学学报(自然科学版). 2016(01)
[5]3D打印技术在正颌外科手术中的应用[J]. 王洪一,梁久龙,刘晓燕,张庭辉,邱涛,付志强,何景涛,曹志强,柳云恩,陶凯,侯明晓. 解放军医药杂志. 2015(11)
[6]计算机辅助设计与制作在颅颌面畸形治疗中的应用[J]. 薄斌,白石柱. 中华口腔医学杂志. 2015 (04)
[7]数字化技术与正颌外科[J]. 沈国芳. 中国实用口腔科杂志. 2014(06)
[8]基于力反馈的颅颌面骨科手术机器人协调控制[J]. 张海青,栾楠,张诗雷,桂海军,袁斯辰. 机械与电子. 2012(05)
[9]颅颌面外科辅助手术机器人系统[J]. 段星光,郭传瑸,陈超. 机器人技术与应用. 2011(04)
[10]颅颌面骨畸形整复手术中辅助机器人的应用[J]. 陈黎明,栾楠,张诗雷,林艳萍. 机械与电子. 2010(04)
博士论文
[1]三维数字图像相关的实时计算研究及生物医学应用[D]. 薛远.中国科学技术大学 2017
[2]颅颌面穿刺诊疗手术机器人关键技术研究[D]. 孔祥战.北京理工大学 2015
[3]三维数字图像相关法的关键技术及应用研究[D]. 高越.中国科学技术大学 2014
[4]导航控制颅颌面外科手术机器人系统建立与技术方法创建[D]. 桂海军.上海交通大学 2014
硕士论文
[1]手术机器人控制系统及手动操纵装置的设计[D]. 张晓明.上海交通大学 2011
本文编号：3441498
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１早期立体定向穿刺手术机器人系统和Ｎｅｕｒｏｍａｔｅ系统［２５］??
范围??内得到了广泛应用。此外，Ｃｏｍｐｕｔｅｒ?Ｍｏｔｉｏｎ公司分别在１９９３年和１９９８年公布??了腹腔手术辅助持镜手术机器人ＡＥＳＯＰ系统和主从式操作的ＺＥＵＳ系统，但该??公司在２００３年被直觉公司收购。几乎同一时期，阿姆斯特朗医疗有限公司开发??了一套与ＡＥＳＯＰ系统功能类似的持镜手术机器人Ｅｎｄｏａｓｓｉｓｔ系统。其与ＡＥＳＯＰ??系统的区别在于它不是控制台与机械臂分开式的设计，而是将控制器安装在机器??人顶部，形成了一套完整独立的系统［４３］。??應?ｎ?‘?Ｌ??图１．３腔镜类手术机器人：ｄａＶｉｎｃｉ系统和Ｅｎｄｏａｓｓｉｓｔ系统??除神经外科、骨科和腔镜手术类手术以外，放射治疗、血管介入等诸多外科??手术领域也都陆续开展了手术机器人相关的研究，如：１９８７年，为了解决基于框??架的立体定向技术只适用于头部颅内放疗手术的局限性问题，Ｊｏｈｎ?Ａｄｌｅｒ博士的??团队开发了一套名为ＣｙｂｅｒＫｍｆｅ的放疗手术机器人系统［４４，４５］；?２００５年，匹兹堡??大学和卡内基梅隆大学的Ｍａｒｃｏ?Ｚｅｎａｔｉ等人研制出采用蛇形连杆机构的心脏介??入手术机器人Ｃａｒｄｉｏｒｏｂｏｔｉｃｓ系统２００７年，Ｈａｎｓｅｎ?Ｍｅｄｉｃａｌ公司发布了主从??式机构的射频和消融手术机器人Ｓｅｎｓｅｉ系统，以及基于磁场控制的介入手术导??管型机器人Ｎ１〇ｂｅ系统【４７＃。??除此之外，还有多种类型的手术机器人在研发的过程中。面向具体应用的专??６??
?山东大学博士学位论文??．??？?騫??，ｍ?：…々??，、…Ｋ?１１?？?ｆ／?？?＾??ａＬ?■￡＇?＾??图１．４?Ｒｅｍｅｂｏｔ、妙手系统、天玑手术机器人系统、哈工大腹腔镜手术机器人系统??１．２．３颅颌面外科手桃器人研宄现状??卢页颁面外科（Ｃｒａｎｉｏｍａｘｉｌｌｏｆａｃｉａｌｓｕｒｇｅｒｙ，ＣＭＦ）是专门针对颂骨、面部及其??周围组织的一类特殊外科手术，具有术区解剖结构复杂，暴露范围孝对手术实??施精度要求较高等特点。由于所涉及的手术对象几乎涵盖了颅颌面区域的所有软、??硬组织，所以颌面外科手术的种类也是多种多样的，如颅颌面肿瘤治疗、畸形矫??正、创伤修复、颌下腺病变治疗等。与前文所述的神经外科和骨科手术机器人类??似，为了解决术前设计在术中的执行问题，提高手术过程中的安全性，颌面外科??手术机器人开始被引入临床［６１＿６４］。??世界上第一个关于颌面外科手术机器人的报道可以追溯到１９９８年，德国洪??堡大学的Ｌｕｅｔｈ等人公布的专门用于颅颌面手术的ＯＴＴＯ手术机器人系统【６５－６６］。??它采用基于三角形运动学的主从式操作的执行机构，可通过导管实现颅骨内固定??物的植入手术［６５，６６１。此外，１９９９年，德国卡尔斯鲁厄大学过程控制与机器人研??宄所公布了一种可在颅颌面手术中实现颅骨钻、铣、切削等任务的手术机器人［１４，??１５］。该系统由一个７自由度的机械臂和一套图像导航系统组成，并且在机械臂的??末端执行机构中集成了力传感器，可实现术中力觉感知，但由于整套系统体积较??８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]颅颌面肿瘤放射性粒子植入手术机器人设计与实现[J]. 段星光,陈宁宁,王永贵,孔祥战. 机械科学与技术. 2017(03)
[2]正颌外科二维头影测量与三维面颅重建测量的比较[J]. 梁立卿,孙健,李亚莉,陈立强,张燕,臧晓龙. 现代口腔医学杂志. 2016(06)
[3]Remebot无框架脑立体定向手术系统的临床应用研究[J]. 刘钰鹏,田增民,惠瑞,刘清,李红玉. 中华外科杂志. 2016 (05)
[4]三维转化头影测量与数字化侧位片头影测量的对比[J]. 王珊,韩越,林汤毅. 南京医科大学学报(自然科学版). 2016(01)
[5]3D打印技术在正颌外科手术中的应用[J]. 王洪一,梁久龙,刘晓燕,张庭辉,邱涛,付志强,何景涛,曹志强,柳云恩,陶凯,侯明晓. 解放军医药杂志. 2015(11)
[6]计算机辅助设计与制作在颅颌面畸形治疗中的应用[J]. 薄斌,白石柱. 中华口腔医学杂志. 2015 (04)
[7]数字化技术与正颌外科[J]. 沈国芳. 中国实用口腔科杂志. 2014(06)
[8]基于力反馈的颅颌面骨科手术机器人协调控制[J]. 张海青,栾楠,张诗雷,桂海军,袁斯辰. 机械与电子. 2012(05)
[9]颅颌面外科辅助手术机器人系统[J]. 段星光,郭传瑸,陈超. 机器人技术与应用. 2011(04)
[10]颅颌面骨畸形整复手术中辅助机器人的应用[J]. 陈黎明,栾楠,张诗雷,林艳萍. 机械与电子. 2010(04)
博士论文
[1]三维数字图像相关的实时计算研究及生物医学应用[D]. 薛远.中国科学技术大学 2017
[2]颅颌面穿刺诊疗手术机器人关键技术研究[D]. 孔祥战.北京理工大学 2015
[3]三维数字图像相关法的关键技术及应用研究[D]. 高越.中国科学技术大学 2014
[4]导航控制颅颌面外科手术机器人系统建立与技术方法创建[D]. 桂海军.上海交通大学 2014
硕士论文
[1]手术机器人控制系统及手动操纵装置的设计[D]. 张晓明.上海交通大学 2011
本文编号：3441498
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