机器人辅助骨科手术导航关键技术研究

发布时间：2017-09-18 12:10

  本文关键词：机器人辅助骨科手术导航关键技术研究

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【摘要】：机器人辅助骨科手术是当前骨科领域研究的热点,它是典型的医工结合技术,能够保护医生和患者,减少X射线的伤害,同时能够提高手术定位精度,减少手术创伤,缩短手术时间。手术导航技术是机器人辅助骨科手术系统的核心技术,本文针对基于C形臂X光机的手术导航技术及机器人辅助导航定位技术进行了研究,分别实现了跟踪和定位两大关键技术。跟踪即术中在导航界面上实时显示手术工具投影和病人患骨的透视图像,给医生实时提供手术工具与患骨的相对位置和姿态关系。定位即实现手术工具和机器人到达所规划的位置。本文研究的主要内容如下:第一,对校准靶透视图像中标志物投影的识别与参数提取进行了研究。设计了导航系统中的关键部件——校准靶;对透视图像中圆形或类圆形目标的识别方法进行了研究,最后选择阈值分割与连通量处理相结合的算法,借助ITK和VTK实现了图像的可变阈值分割,省去了阈值求解过程,实现了快速分割,并最终提取了目标参数。第二,对图像变形校正进行了研究。对C形臂X光图像的变形及其成因进行了研究;在分析了全局法与局部法的优缺点的基础上,针对图像中控制点较少的情况提出一种移动最小二乘法(Moving Least Square,MLS)与多项式拟合相结合的图像校正方法。通过此方法保证了在控制点较少情况下的校正精度。第三,对相机标定进行了研究。对已有校准方法进行了分析研究,并比较了各个方法的优缺点。针对相机校准中存在的过渡环节多及变换参数求解复杂等问题,本文提出了一种线性标定融合误差补偿的相机标定实现方法,该方法忽略相机模型,减少了中间过渡环节,参数求解变得简单,提高了效率。第四,对机器人辅助导航系统的全空间坐标转换技术及机器人硬件系统的数据传输方法进行了研究。研究了图像中规划的工具投影变换到患骨坐标系下的方法,并基于光学定位系统建立了患骨坐标系与机器人基坐标系之间的映射关系,从而建立图像坐标系到机器人坐标系的变换。在没有工作站与机器人通讯软件包的情况下,以PLC作转接,成功实现了工作站到KUKA的数据传输,为机器人辅助导引奠定了基础。最后,自主开发了导航软件系统,搭建了机器人辅助骨科手术导航系统实验研究平台,同时以脊柱模型为实验对象进行了相关实验:导航定位位置实验、导航定位姿态实验和机器人辅助导引实验。根据实验数据对误差进行了分析,同时为减小误差提出了相应的措施。
【关键词】：手术导航 C形臂 机器人 辅助导引
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R687;TP242
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 课题背景及研究意义11-12
• 1.2 手术导航系统国内外研究现状12-17
• 1.2.1 国外研究现状12-15
• 1.2.2 国内研究现状15-17
• 1.3 基于C形臂的手术导航系统基本原理及关键技术17-21
• 1.3.1 基于C形臂的手术导航系统基本原理17-19
• 1.3.2 基于C形臂手术导航关键技术19-21
• 1.4 课题主要研究内容和论文结构21-22
• 1.5 本章小结22-23
• 第二章 X光图像畸变校正方法研究23-41
• 2.1 C形臂X光图像几何失真类型及成因23-25
• 2.2 基于移动最小二乘法与多项式拟合的混合校正算法25-34
• 2.2.1 移动最小二乘法26-31
• 2.2.2 全局多项式拟合31-33
• 2.2.3 混合校正算法33-34
• 2.3 校正后图像中像素灰度计算34
• 2.4 实验与分析34-40
• 2.4.1 校准靶的设计35
• 2.4.2 校准靶图像中标志物参数提取35-37
• 2.4.3 图像几何变形校正37-40
• 2.5 小结40-41
• 第三章 手术工具实体实时可视化研究41-54
• 3.1 C形臂相机校准41-46
• 3.1.1 相机标定模型41-42
• 3.1.2 相机校准方法概述42-43
• 3.1.3 Faugeras相机校准方法及其改进方法43-46
• 3.1.4 一种新的相机标定解决方案46
• 3.2 定位跟踪技术在导航系统中的应用46-48
• 3.3 手术实体在二维X光图像中的实时可视化48-49
• 3.4 实验及分析49-53
• 3.5 小结53-54
• 第四章 机器人辅助导引研究54-61
• 4.1 图像坐标系与机器人坐标系变换的原理54-57
• 4.1.1 双平面校准法求解反投射问题55-56
• 4.1.2 导引工具规划投影到患骨坐标系的变换56-57
• 4.1.3 导引工具规划姿态到KUKA机器人空间的变换57
• 4.2 工作站与KUKA机器人数据传输57-59
• 4.3 实验与分析59-60
• 4.4 小结60-61
• 第五章 导航实验研究61-74
• 5.1 导航系统搭建及手术工具设计61-62
• 5.2 导航软件设计62-64
• 5.3 导航实验64-70
• 5.3.1 导航定位位置实验65-68
• 5.3.2 导航定位姿态实验68-70
• 5.4 机器人辅助导引实验70-72
• 5.5 导航误差分析72-73
• 5.6 小结73-74
• 第六章 总结与展望74-76
• 6.1 全文总结74
• 6.2 研究展望74-76
• 参考文献76-83
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文83-84
• 致谢84-85

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