脊柱手术机器人

针对脊柱手术中的椎弓根钉内固定术;为克服医生操作手术时定位精度难以保证、长时间手术易疲劳等问题;设计了一套脊柱手术机器人系统用于辅助实施椎弓根钉内固定术。机器人为5自由度;充分考虑手术机器人对安全性和工作空间有效覆盖的要求;进行了构型设计;并完成了相应的机器人运动学分析。控制系统是由图像导航下的主动控制和基于力传感器的被动拖拽控制两个模式进行控制。主动控制下;医生通过导航系统提供最优钉道的精确位置信息;机器人根据医生的规划路径自主到达手术点;被动力拖拽控制基于导纳控制原理对医生作用在机器人末端执行器的操作力进行映射;并以此形成跟随拖动动作的机器人运动控制指令。针对力拖拽控制的实验验证了机器人在被动拖拽控制模式下能够柔顺地跟踪医生的操作动作。     

基于增强现实的脊柱微创手术导航系统

针对脊柱微创手术实际的临床导航需求, 设计开发了一种基于增强现实的脊柱微创手术导航系统。在术前通过CT对患者脊柱病灶部位进行扫描和重建, 将合适的脊柱模型导入Unity-3D平台中并为其添加控制脚本。使用标定球对手术器械进行标定, 采用Polaris Vega光学追踪器实时追踪手术器械, 建立手术器械与Polaris Vega光学追踪器之间的坐标转换关系, 将识别到的手术器械位姿信息实时发送到HoloLens设备中, 从而实现手术器械、病灶模型等医疗影像的同步显示。在术中为医生提供3维脊柱病灶影像的可视化显示, 帮助医生实现病灶定位和手术器械导航。经过脊柱模型实验测试, 系统导航误差小于2.8 mm, 可以满足脊柱外科的临床应用要求。     

脊柱微创手术机器人研究现状

外科手术机器人是当前机器人研究领域的热点,机器人操作的精确性、稳定性已经得到医疗界及患者的认可。本文以脊柱微创手术为背景,对目前脊柱（骨科）手术机器人的研究现状及未来发展趋势进行分析和论述。     

机器人辅助微创全膝关节置换手术系统

开发了面向全膝关节置换手术的机器人辅助截骨系统,实现了膝关节解剖结构精准建模、术前截骨路径3维规划、图像配准以及术中机器人可视化导航．采用多模态图像融合与主动轮廓模型分割技术实现了包含关节软骨在内的膝关节自动化建模与可视化;在此基础上采用3维交互技术实现截骨路径的术前规划;术中基于自主研发的双目视觉跟踪系统,采集关节骨表面3维点云与术前3维模型进行形状配准,完成图像空间和机器人空间之间的映射;最后通过视觉导航技术引导机器人完成截骨操作．实验结果表明,机器人系统综合定位误差为0.87 mm,截骨操作误差小于1 mm．     

脊柱微创手术机器人运动控制系统的设计

设计了一套医疗机器人系统用于辅助脊柱微创外科手术操作。详细论述了这款5自由度脊柱微创手术导航机器人运动控制系统的设计与实现。提出了具有创新性的步进电机细分驱动模式;将电机定子电流从方波形状转变成为了正弦波形状;消除了步进电机的步间振荡现象。利用传感机构实现了对机器人末端工具的位姿反馈;并以此构成了对机器人末端工具的闭环控制。通过CAN实现了数字信号处理器之间的网络互联。最后对该系统进行实验;结果验证了控制系统具有良好的可靠性和稳定性。     

基于正侧位投影约束的空间配准与脊柱手术导航

为提高机器人辅助脊柱手术的精确性、安全性以及易用性,将术前CT 图像与术中X 射线图像配准．传统单平面配准法因缺乏沿光轴的深度信息而导致导航误差较大,本文通过同时计算正侧位透视图像来提高配准与导航精度．通过分析正侧位投影空间变换模型,利用该双平面几何约束实现自动的配准初值估计并建立3 维手术空间与CT 空间的映射．在虚拟X 射线导航基础上,利用立体视觉定位计算手术器械在CT 空间的实时位姿从而实现3 维导航．脊柱体模实验证明该配准与导航方法的精度满足手术要求,动物椎板磨削实验表明该系统可实现实时监控,提高手术安全性．     

脊柱微创手术机器人速度场控制方法

在脊柱微创手术中医生徒手置钉的失误率较高,虽然机器人可以显著降低置钉的失误率,但是,手术环境的复杂性和不确定性,以及手术安全需求制约了机器人自动完成手术．本文通过建立手术空间速度场,设计速度场控制器,建立机器人运动学和动力学模型,完成机器人椎弓根螺钉自动植入的仿真和实验．相对于传统的时间轨迹控制,仿真实验验证了速度场控制方法在椎弓根螺钉自动植入过程中既能在扰动条件下保证手术轨迹的精确性又能避免对神经根的损伤．通过实验验证了速度场控制方法的可行性．     

计算机辅助骨科手术机器人技术发展及应用综述

肌肉骨骼系统在人体运动中起着至关重要的作用,这个系统的疾病通常会导致严重的长期残疾,是影响人类健康和活动能力的关键因素。计算机辅助骨科手术机器人系统已成为临床骨科中最重要和最具挑战性的系统之一,因为它们能够使用现代临床导航系统和机器人系统精确治疗肌肉骨骼疾病,具有有效降低辐射、减少医生体力等优势,成为解决传统骨科疾病的最佳选择之一。通过对机器人在骨科手术中的应用分析,重点介绍了骨科机器人的机构设计、导航技术、机器人控制、交互技术以及骨-机器人连接技术。在导航技术中,利用CT扫描设备获取图像和光学跟踪装置进行导航已成为主流。在机器人控制和交互技术中,既有遥操作,也有自动控制。借助文献梳理,进一步讨论了目前计算机辅助骨科手术机器人系统存在的问题及其未来发展。     

增强现实在达芬奇手术机器人系统中的应用进展

将增强现实技术应用于达芬奇手术机器人系统的手术中,可以给医生提供更直观详尽的手术视野,便于医生在手术中进行规划、评估等工作,有助于提高手术的精确度、减少患者的并发症、缩短患者恢复时间。本文回顾了近10年来利用增强现实技术辅助达芬奇手术机器人系统完成的7例手术案例情况,分析了增强现实应用的条件、适用范围、实际效果、医生评价等,并对增强现实在手术中的应用进行总结和展望。     

一种鲁棒的基于两个特征点的深度估计方法

This paper presents a novel depth estimation method based on feature points. Two points are selected arbitrarily from an object and their distance in the space is assumed to be known.The proposed technique can estimate simultaneously their depths according to two images taken before and after a camera moves and the motion parameters of the camera may be unknown. In addition, this paper analyzes the ways to enhance the precision of the estimated depths and presents a feature point image coordinates search algorithm to increase the robustness of the proposed method.The search algorithm can find automatically more accurate image coordinates of the feature points based on their detected image coordinates. Experimental results demonstrate the efficiency of the presented method.     

基于增强现实的手术导航系统快速标定算法

针对光学半透式头戴显示器(OST-HMD)在增强现实(AR)中的虚实融合问题,提出了一种基于光学定位跟踪系统的OST-HMD快速标定算法.首先,通过把OST-HMD中的虚拟标记点和其在真实世界中的对应点组成两个三维点集,对虚拟空间到光学定位追踪空间之间的映射进行估计,从而求解虚拟空间到真实场景的转换矩阵.然后,建立整个...     

基于视觉的移动机器人地面轨线跟踪导航研究

地面轨线跟踪是机器人视觉导航控制基本技术之一．文中针对曲率变化较大的地面轨线跟踪提出了一种新的状态控制方法．该方法从图像中提取参考轨线的方向和幅度参数作为状态控制的输入,调整速度和转速实现跟踪控制．为改善控制性能,当由于摄像机倾角较大而引起的图像畸变较大时,利用射影变换把参考轨线参数从图像坐标系映射到机器人坐标系,而无须提供位置、曲率等参数．实验表明该方法控制效果良好．     

基于EPOS的激光导航移动机器人运动控制研究

为了提高移动机器人运动控制精度,满足移动机器人精确运动的需要,研制了一种以EPOS运动控制器为核心、采用激光导航的移动机器人运动控制系统。为验证运动控制系统的正确性和有效性,采用Lyapunov函数设计出一种速度跟踪控制算法。移动机器人轨迹跟踪实验结果表明,该控制系统精度高、实时性好、可以满足移动机器人在各种环境中的行走需要。     

图像融合在手术导航中的应用研究

普通脑外导航手术中是利用脑结构像来进行引导的,切除肿瘤时有可能损伤脑中的听力、视力、运动、语言、思维、记忆等功能区,造成病人终身残疾,因为这些功能区在脑结构像中是不可见的。笔者将核磁共振功能像与结构像进行融合,在手术导航系统中,用含有功能像和结构像的融合图像进行引导,避开关键组织和功能区,从而使手术中的危险和手术后伤残率降至最低。主要内容如下:(1)运动功能区磁共振成像过程和图像获取;(2)图像标志点的自动识别;(3)功能像与结构像快速配准算法;(4)融合图像在导航手术中应用等。临床试用表明,基于论文提出的各种算法开发出的图像融合软件,速度快,可靠性强,融合可以在数秒钟内完成,精度达到1mm,完全适用于临床。     

A survey on image-based continuum-body motion estimation

This paper presents a survey of the state-of-the-art in motion estimation of continuum objects such as elastic solids (e.g., human organs, skin, and biomedical tissues) and fluids (e.g., clouds, ocean flows, and air flows). The survey is focused on the estimation methodologies, rather than on specific applications. We begin by summarizing the main components and challenges of continuum-motion estimation, and structure our review around these components. We provide a classification of the related work according to their solutions to these challenges. A discussion on the methodologies for quantitative evaluation of methods is also provided. Finally, we conclude the survey by pointing out some open problems in continuum-motion estimation.     

Flexible needle posture control stratagem for ultrasound-based puncture manipulator system

This paper introduces a flexible puncture method that can improve the efficiency and safety of robot-assisted central venous catheterization (CVC) surgery systems. Current CVC surgery-assisted manipulators and systems are mainly focused methods for puncture needle insertion into blood vessels. There is no single systematic stratagem for safe high-precision control of the posture of the needle in a blood vessel after needle insertion. However, this type of control stratagem is both necessary and urgently required in surgery to avoid piercing the central vein and to provide a suitable posture for guide wire insertion. Therefore, we propose the remote centre of motion control method to control the needle’s posture precisely and safely. Verification experiments were performed in both a simulator and a puncture manipulator. The results indicate that the needle tip trajectory in the simulation is completely accurate and it also agrees well with the theoretical value. The positional and angular errors of the needle tip are smaller than 0.8?mm and 1.8°, respectively, in the real puncture manipulator experiment; these errors are sufficiently small for surgeries. The proposed design is practical and can be used in real puncture manipulators and systems.     

Visual Homing: Surfing on the Epipoles

We introduce a novel method for visual homing. Using this method a robot can be sent to desired positions and orientations in 3D space specified by single images taken from these positions. Our method is based on recovering the epipolar geometry relating the current image taken by the robot and the target image. Using the epipolar geometry, most of the parameters which specify the differences in position and orientation of the camera between the two images are recovered. However, since not all of the parameters can be recovered from two images, we have developed specific methods to bypass these missing parameters and resolve the ambiguities that exist. We present two homing algorithms for two standard projection models, weak and full perspective.Our method determines the path of the robot on-line, the starting position of the robot is relatively not constrained, and a 3D model of the environment is not required. The method is almost entirely memoryless, in the sense that at every step the path to the target position is determined independently of the previous path taken by the robot. Because of this property the robot may be able, while moving toward the target, to perform auxiliary tasks or to avoid obstacles, without this impairing its ability to eventually reach the target position. We have performed simulations and real experiments which demonstrate the robustness of the method and that the algorithms always converge to the target pose.