肝癌消融穿刺手术机器人信息采集与控制技术研究
发布时间：2021-04-17 16:14
尽管光学导航和手术机器人在骨科、神经外科、耳鼻喉科等领域有着成熟的应用,但目前在肝肿瘤穿刺消融手术中医生仍在使用肉眼定位和手动穿刺的方式进行手术。光学导航和手术机器人在肝肿瘤穿刺的应用上并未取得很好的效果,主要原因是光学导航的核心部件定位仪存在产生伪点的问题,影响手术导航进程;同时呼吸运动会使器官发生形变导致靶点实时位移,直接应用神经外科机器人等穿刺机器人的固定轨迹伺服方法进行肝肿瘤穿刺的效果不理想。因此,为了在光学引导穿刺手术过程的流畅度与安全性,需解决商业定位仪产生伪点的问题,包括误识别伪点和误匹配伪点;为了使机器人能够在穿刺过程中补偿呼吸运动带来的组织形变和位移以提高穿刺精度,需研究合适的机器人位姿计算方法和机器人运动控制算法。本论文针对以上问题,完成相应研究内容:（1）研究了光学定位中伪点剔除的方法。使用图像分割和特征筛选的方法剔除误识别伪点,再利用相机针孔模型估算的空间坐标剔除误匹配伪点,最终提高了光学定位仪在使用过程中的鲁棒性,降低了后续导航过程的计算负担。通过实验对比其他商业化定位仪,实验结果证明本论文方法在剔除伪点方面表现更好。（2）研究了穿刺机器人最优目标位姿计算方法...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CT引导下的手动穿刺a)肝肿瘤消融穿刺手术b)扫CT检测穿刺效果
的算法能够保证机器人在手术过程中快速完成指定动作，减少运动迟滞性带来的碰撞、组织损伤等问题。手术导航和手术机器人所具备的高效手术计划能力和高精度执行能力，使得穿刺手术机器人在骨科和神经外科领域发展迅速，已有多款商业化的产品得到成熟应用[14]。其中具有代表性的产品有适用于骨科手术的ROSAONESpine光学导航手术机器人[15,16]，以及面向神经外科中脑出血、帕金森及癫痫等疾病治疗手术的Remebot[17-19]和ROSAONEBrain手术机器人等。如图1-2所示即为美国ZimmerBiomet的ROSAONEBrain光学导航手术机器人。图1-2ROSAONEBrain手术机器人[100]a)机器人系统主要结构b)穿刺仿真场景
华南理工大学硕士学位论文41.2国内外研究现状1.2.1光学定位技术和伪点问题概述（1）光学定位技术光学定位仪是手术导航系统的核心设备，如图1-3所示，它用于在术中实时跟踪安装于手术器械上和黏贴在病人皮肤上的标记点，并以标记点为媒介对术前CT影像和术中病人病灶进行刚性配准，以便在三维虚拟图像上实时显示病人的骨骼机构、病变组织和计划穿刺路径等等。医生能够根据三维虚拟图像的实时引导，直观的观察到病灶和手术工具的相对位置，便于术中实时调整手术器械的位姿，从而进行精准穿刺等操作[25-27]。该系统能帮助外科医生改进手术治疗效果，减少侵入性、治疗时间和并发症[28,29]。光学定位仪的基本定位原理是目标检测和立体匹配，目标检测是从二维图像上检测标记物，而立体匹配则是根据标记物在不同方向的投影重建出空间坐标。根据标记物的不同，分为基于标记点和基于图像角点分布信息的定位方法，其中基于标记点的光学定位方式因定位精度高、使用灵活方便等优点而广泛应用到手术导航中。而根据系统中相机数量的不同可分为双目定位方法和多目定位系统，其中双相机组成的双目定位系统和多目定位系统相比，在保证同等级精度的情况下，双目系统在设备构建、标定等方面更为方便。且多目定位系统所需要的相机更多，外围电路的要求更高，大大提升了硬件成本和软件算法的复杂度，因而双目定位系统是目前使用最为广泛的立体定位模式。如图1-3所示，左边设备即为基于标记点的双目光学定位仪，这种定位方法就是双目光学定位方法。国内外的光学导航产品中，有超过90%的光学定位仪采用加拿大NDI公司的Polaris系统，该系统为基于光学标记点的双目定位系统。Polaris系统在长期图1-3双目光学定位方法[30]
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于候选区域的深度学习目标检测算法综述[J]. 詹炜,Inomjon Ramatov,崔万新,喻晶精. 长江大学学报(自然科学版). 2019(05)
[2]睿米神经外科医疗机器人精度误差分析[J]. 王佳,赵全军,史铁钧,王涛,崔绍杰,赵德鹏,袁旭君. 中国微侵袭神经外科杂志. 2019(05)
[3]2015年中国恶性肿瘤流行情况分析[J]. 郑荣寿,孙可欣,张思维,曾红梅,邹小农,陈茹,顾秀瑛,魏文强,赫捷. 中华肿瘤杂志. 2019 (01)
[4]达芬奇机器人手术系统在妇科腹腔镜手术中的应用[J]. 张昕蕾,张军. 中国医药. 2019(01)
[5]机器人辅助下椎弓根螺钉固定治疗胸腰椎骨折[J]. 徐鹏,葛鹏,章仁杰,李伟,张银顺,董福龙,钱军,申才良. 颈腰痛杂志. 2018(06)
[6]机器人辅助肝切除临床研究进展[J]. 周林,郑永根,杜国盛,史宪杰. 中华肝脏外科手术学电子杂志. 2018(05)
[7]中国机器人产业发展报告:我国机器人市场进入高速增长期[J]. 王淘淘. 今日制造与升级. 2018(08)
[8]Remebot机器人辅助下立体定向脑组织活检术的护理配合[J]. 吴黎琨,张敏慧,崔姣,吴世强,舒凯,赵体玉. 护理学杂志. 2018(02)
[9]全球工业机器人发展史简评[J]. 陈启愉,吴智恒. 机械制造. 2017(07)
[10]机器人智能化研究的关键技术与发展展望[J]. 曹克刚. 科技创新导报. 2017(10)
博士论文
[1]光学手术导航引导的肝癌消融精准定位和穿刺方法研究[D]. 林钦永.华南理工大学 2016
[2]高精度颅颌面手术导航中的关键技术研究[D]. 王宸昊.上海交通大学 2012
[3]红外手术导航仪关键技术研究[D]. 马文娟.上海交通大学 2010
[4]红外图像中弱小目标检测技术研究[D]. 徐军.西安电子科技大学 2003
硕士论文
[1]基于电磁导航与增强现实的复杂先心病畸形病灶定位技术研究[D]. 戴知宇.华南理工大学 2019
[2]六自由度机械臂运动规划[D]. 党浩明.北京信息科技大学 2018
[3]肿瘤穿刺中机器人控制方法的研究[D]. 张哲思.华南理工大学 2018
[4]基于视觉伺服的机械臂精确运动控制研究[D]. 谢光.武汉科技大学 2017
[5]基于电磁场理论的医用三维定位系统研究[D]. 于在宇.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3143751
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CT引导下的手动穿刺a)肝肿瘤消融穿刺手术b)扫CT检测穿刺效果
的算法能够保证机器人在手术过程中快速完成指定动作，减少运动迟滞性带来的碰撞、组织损伤等问题。手术导航和手术机器人所具备的高效手术计划能力和高精度执行能力，使得穿刺手术机器人在骨科和神经外科领域发展迅速，已有多款商业化的产品得到成熟应用[14]。其中具有代表性的产品有适用于骨科手术的ROSAONESpine光学导航手术机器人[15,16]，以及面向神经外科中脑出血、帕金森及癫痫等疾病治疗手术的Remebot[17-19]和ROSAONEBrain手术机器人等。如图1-2所示即为美国ZimmerBiomet的ROSAONEBrain光学导航手术机器人。图1-2ROSAONEBrain手术机器人[100]a)机器人系统主要结构b)穿刺仿真场景
华南理工大学硕士学位论文41.2国内外研究现状1.2.1光学定位技术和伪点问题概述（1）光学定位技术光学定位仪是手术导航系统的核心设备，如图1-3所示，它用于在术中实时跟踪安装于手术器械上和黏贴在病人皮肤上的标记点，并以标记点为媒介对术前CT影像和术中病人病灶进行刚性配准，以便在三维虚拟图像上实时显示病人的骨骼机构、病变组织和计划穿刺路径等等。医生能够根据三维虚拟图像的实时引导，直观的观察到病灶和手术工具的相对位置，便于术中实时调整手术器械的位姿，从而进行精准穿刺等操作[25-27]。该系统能帮助外科医生改进手术治疗效果，减少侵入性、治疗时间和并发症[28,29]。光学定位仪的基本定位原理是目标检测和立体匹配，目标检测是从二维图像上检测标记物，而立体匹配则是根据标记物在不同方向的投影重建出空间坐标。根据标记物的不同，分为基于标记点和基于图像角点分布信息的定位方法，其中基于标记点的光学定位方式因定位精度高、使用灵活方便等优点而广泛应用到手术导航中。而根据系统中相机数量的不同可分为双目定位方法和多目定位系统，其中双相机组成的双目定位系统和多目定位系统相比，在保证同等级精度的情况下，双目系统在设备构建、标定等方面更为方便。且多目定位系统所需要的相机更多，外围电路的要求更高，大大提升了硬件成本和软件算法的复杂度，因而双目定位系统是目前使用最为广泛的立体定位模式。如图1-3所示，左边设备即为基于标记点的双目光学定位仪，这种定位方法就是双目光学定位方法。国内外的光学导航产品中，有超过90%的光学定位仪采用加拿大NDI公司的Polaris系统，该系统为基于光学标记点的双目定位系统。Polaris系统在长期图1-3双目光学定位方法[30]
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于候选区域的深度学习目标检测算法综述[J]. 詹炜,Inomjon Ramatov,崔万新,喻晶精. 长江大学学报(自然科学版). 2019(05)
[2]睿米神经外科医疗机器人精度误差分析[J]. 王佳,赵全军,史铁钧,王涛,崔绍杰,赵德鹏,袁旭君. 中国微侵袭神经外科杂志. 2019(05)
[3]2015年中国恶性肿瘤流行情况分析[J]. 郑荣寿,孙可欣,张思维,曾红梅,邹小农,陈茹,顾秀瑛,魏文强,赫捷. 中华肿瘤杂志. 2019 (01)
[4]达芬奇机器人手术系统在妇科腹腔镜手术中的应用[J]. 张昕蕾,张军. 中国医药. 2019(01)
[5]机器人辅助下椎弓根螺钉固定治疗胸腰椎骨折[J]. 徐鹏,葛鹏,章仁杰,李伟,张银顺,董福龙,钱军,申才良. 颈腰痛杂志. 2018(06)
[6]机器人辅助肝切除临床研究进展[J]. 周林,郑永根,杜国盛,史宪杰. 中华肝脏外科手术学电子杂志. 2018(05)
[7]中国机器人产业发展报告:我国机器人市场进入高速增长期[J]. 王淘淘. 今日制造与升级. 2018(08)
[8]Remebot机器人辅助下立体定向脑组织活检术的护理配合[J]. 吴黎琨,张敏慧,崔姣,吴世强,舒凯,赵体玉. 护理学杂志. 2018(02)
[9]全球工业机器人发展史简评[J]. 陈启愉,吴智恒. 机械制造. 2017(07)
[10]机器人智能化研究的关键技术与发展展望[J]. 曹克刚. 科技创新导报. 2017(10)
博士论文
[1]光学手术导航引导的肝癌消融精准定位和穿刺方法研究[D]. 林钦永.华南理工大学 2016
[2]高精度颅颌面手术导航中的关键技术研究[D]. 王宸昊.上海交通大学 2012
[3]红外手术导航仪关键技术研究[D]. 马文娟.上海交通大学 2010
[4]红外图像中弱小目标检测技术研究[D]. 徐军.西安电子科技大学 2003
硕士论文
[1]基于电磁导航与增强现实的复杂先心病畸形病灶定位技术研究[D]. 戴知宇.华南理工大学 2019
[2]六自由度机械臂运动规划[D]. 党浩明.北京信息科技大学 2018
[3]肿瘤穿刺中机器人控制方法的研究[D]. 张哲思.华南理工大学 2018
[4]基于视觉伺服的机械臂精确运动控制研究[D]. 谢光.武汉科技大学 2017
[5]基于电磁场理论的医用三维定位系统研究[D]. 于在宇.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3143751
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