肝肿瘤微波消融手术机器人

微波消融是治疗肝肿瘤的一种有效方法。针对该手术存在的问题,本文介绍辅助医生实现穿刺消融针的精确定位和稳定扶持的肝肿瘤微波消融手术机器人,给出了系统的总体构架,并对超声图像处理、机构综合与优化和控制系统等方面进行了详细介绍。通过动物实验,验证了机器人的有效性。最后探讨微波消融手术机器人系统存在的问题,给出了进一步研究的方向。     

超声导航微波消融辅助机器人技术的研究

针对超声导航肝肿瘤消融术的不足之处,研制了辅助微创手术的机器人系统.该系统由机器人本体、磁定位系统、超声图像处理系统、手术规划及人机交互系统组成.辅助机器人系统可协助外科医生精确定位消融针于目标病灶点,提高手术操作的精度和适形消融的能力,减少对医生经验的依赖,从而使超声引导下的肝肿瘤消融治疗建立在更加科学、可控和具有预见性的基础上,促进热消融治疗肿瘤技术在,临床的广泛应用.     

随动定位式医用扶持机器人系统研制

电极针是超声引导下肝肿瘤微波消融微创手术的关键器械。针对医生在扶持操作中手部的抖动或用力的不均匀而造成的电极针偏移问题,研制了一种随动定位式扶持电极针的机器人,通过手术医生拉动把手带动机械臂摆动,仿生机械手移到电极针上方并锁紧定位;通过传感器筒体内的遮光片和对应光耦的相对位置变化来感知电极针的偏转及直线运动,控制摆动和伸缩电机转动,从而实现随动扶持。临床实验表明,该机器人系统大大减少了手术中的人为因素,使微创治疗更为精确、灵巧与安全。     

基于超声影像导航的肝癌消融机器人系统的误差传递

建立了基于超声影像导航的肝癌消融机器人系统误差传递模型．该系统主要由超声影像设备、导航 软件子系统、定位装置和穿刺机器人四个模块组成．机器人系统首先通过三维超声重建、术前模型和术中实体的 配准以及定位装置和机器人之间的坐标转换将肿瘤的目标靶点转化到机器人坐标系中,然后再控制机器人运动到 指定的靶点位置进行治疗．首先分析上述流程,指出误差源．然后,利用齐次变换矩阵的微分矩阵建立靶点映射 误差传递模型,并通过仿真实验验证了靶点误差模型的正确性．最后,对系统进行了精度测试实验,实验结果表 明该系统的总体误差小于5 mm,满足消融治疗肝癌的需求,能有效地提高肝癌的治疗效果．     

我国开发出超声引导下的肝肿瘤微波消融辅助机器人系统

肝肿瘤微波消融手术机器人机构与超声引导系统的研究是在国家科技部863项目支持下,由北京理工大学、中科院自动化研究所,和中国人民解放军总医院联合承担完成的,并已通过验收。     

基于仿真的外科手术机器人术前引导优化

给出一种保证术中较高灵巧度、可达性和可视化指标的手术机器人布置方法,建立一个能够辅助医生完成手术机器人术前布置的虚拟现实系统.基于粒子群优化算法提出了引导手术切口布置和机器人摆位的方法,该方法不仅能够有效完成针对某一手术空间的摆位优化,还通过手术空间划分并赋予权值的方法来反映手术空间内部差异,在空间分割的基础上提出加权平均的全域各向同性和多臂协同性两个目标函数,分别反映机器人系统的单臂性能和三臂协作能力.该方法可以在兼顾手术机器人性能和手术空间内部差异的前提下直观地引导医生完成复杂的术前设置工作.实验证明,3只臂的灵巧度优化结果均高于不加权方法,三臂协作能力指标相对不加权方法提高25%~30%,而且优化结果能够优先满足手术空间内的重要区域.     

基于影像引导的计算机辅助肝癌微波消融

为了方便临床医生使用医学影像进行手术的规划和引导,提出了一种新颖的计算机辅助肝癌微波消融手术方法.采用基于GPU加速的三维可视化技术实时重构影像的三维模型,显示出患者器官的解剖关系;采用基于生物传热学的三维热场计算技术,规划手术路径及消融设备的作用时间和功率.经过大量的临床应用以及手术影像对比,表明该方法能够有效计算消融手术的作用效果,并在手术的引导过程中发挥了重要的作用,提高了手术的临床精度和效果.     

RSSS-II 脊柱手术机器人系统开发及其实验研究

手术机器人应用于脊柱手术中,辅助医生完成脊柱手术中钉道定位、钻钉道等操作,有助于降低医生工作强度,保证了手术操作的精确性、稳定性和安全性.文章针对椎弓根钉内固定术,设计研制了脊柱手术辅机器人系统RSSS-Ⅱ.首先,从脊柱手术的临床需求出发,充分考虑术中安全性、手术区域覆盖范围、患者术中摆位以及对机器人占地空间等多方面因素,设计六自由度串联式手术机械臂以及力反馈钻骨装置.其次,以椎弓根钉内固定术中准确定位为目的,对机器人导航定位所涉及的关键技术展开研究,构建了图像导航定位系统.最后,通过精度测试实验和离体样本骨实验,对关键技术及系统的精度、安全性等进行原理性验证.实验结果显示,脊柱手术机器人系统RSSS-Ⅱ能满足手术对精度的要求.     

初探MLESAC算法在针穿刺手术中的应用

为了提高针穿刺手术中穿刺的精度和效率,合理避开障碍物,精准命中靶点,本文初步探讨了一种MLESAC算法(极大似然估计的随机抽样一致性算法)。通过分析MLESAC算法的原理和步骤,提出在针穿刺手术中应用MLESAC算法定位穿刺针位置、预测靶点运动。算法通过建立穿刺针模型定位穿刺针的精确位置,通过提取二值化超声图像中的特征匹配点,建立运动函数模型预测靶点运动,为引导下一步穿刺提供依据。该应用为未来医疗机器人应用于临床、辅助医护人员进行外科手术提供了理论参考和数据支持。     

机器人辅助内镜手术系统的设计与开发

机器人应用于外科手术中，通过医生和机器人系统的合理分工和有机配合，可以提高 手术质量、改善医生工作条件、实现远程手术等．本文以纤维内镜手术为研究对象，针对术 中X射线对医护人员身体健康造成伤害的现状，设计了机器人辅助内镜手术系统，使医生可 以远程控制手术室的操作器完成内镜和手术器械的操作，实现诊断和治疗的目的．文章详细 介绍了系统的研制背景、总体设计、内镜操作器子系统原型样机设计及实验，并结合系统开 发对医疗外科机器人的人机交互接口、安全性及临床应用等问题进行了讨论．     

Cadaver study for spinal fusion surgery using an image-guided surgical robot system

We present a novel surgical robotic system for spinal fusion that includes a computer-based planning algorithm, O-type bi-planar fluoroscopy, and a surgical robot. The planning system determines a surgical path based on fluoroscopy images or a 3D image reconstructed using pre-operative CT data. The robot guides the surgical path that the surgeon generates with the planning system. In this cadaver study, we tested the performance of the robotic system in the treatment of eight lumbar vertebrae by comparing CT images recorded before and after surgery.     

Visual Support for Interactive Post‐Interventional Assessment of Radiofrequency Ablation Therapy

Percutaneous radiofrequency (RF) ablation is a minimally invasive, image‐guided therapy for the treatment of liver tumors. The assessment of the ablation area (coagulation) is performed to verify the treatment success as an essential part of the therapy. Traditionally, pre‐ and post‐interventional CT images are used to visually compare the shape, size, and position of tumor and coagulation. In this work, we present a novel visualization as well as a navigation tool, the so‐called tumor map. The tumor map is a pseudo‐cylindrical mapping of the tumor surface onto a 2D image. It is used for a combined visualization of all ablation zones of the tumor to allow a reliable therapy assessment. Additionally, the tumor map serves as an interactive tool for intuitive navigation within the 3D volume rendering of the tumor vicinity as well as with familiar 2D viewers.     

Hand gesture guided robot-assisted surgery based on a direct augmented reality interface

Radiofrequency (RF) ablation is a good alternative to hepatic resection for treatment of liver tumors. However, accurate needle insertion requires precise hand-eye coordination and is also affected by the difficulty of RF needle navigation. This paper proposes a cooperative surgical robot system, guided by hand gestures and supported by an augmented reality (AR)-based surgical field, for robot-assisted percutaneous treatment. It establishes a robot-assisted natural AR guidance mechanism that incorporates the advantages of the following three aspects: AR visual guidance information, surgeon's experiences and accuracy of robotic surgery. A projector-based AR environment is directly overlaid on a patient to display preoperative and intraoperative information, while a mobile surgical robot system implements specified RF needle insertion plans. Natural hand gestures are used as an intuitive and robust method to interact with both the AR system and surgical robot. The proposed system was evaluated on a mannequin model. Experimental results demonstrated that hand gesture guidance was able to effectively guide the surgical robot, and the robot-assisted implementation was found to improve the accuracy of needle insertion. This human–robot cooperative mechanism is a promising approach for precise transcutaneous ablation therapy.     

基于肝脏力模型的机器人辅助进针策略

针对机器人辅助穿刺手术中软组织形变引起的安全性和准确性问题,基于猪肝进针力模型,在分析猪肝组织结构和力学特性的基础上提出了机器人辅助进针策略.它主要包括两点:一是在穿刺针进入肝脏瞬间,机器人自动停止进针,待软组织松弛片刎后,再以减半速度继续进针,以尽可能减小软组织形变对穿刺精度的影响,提高手术准确性.二是在穿刺针进入肝...     

基于虚拟现实的计算机辅助立体定向神经外科手术系统

介绍了一个计算机辅助立体定向神经外科手术系统,该系统基于实时可视化绘制、机器人和虚拟现实技术,辅助医生完成立体定向神经外科手术,系统首先利用患者脑部的扫描数据重构并绘制出患者脑部的三维组织结构,为医生调整和确定手术规划提供参照。系统采用了标记点的校准方法,在手术前和手术中分别进行脑部模型和患者的坐标校准。通过机械臂的导航,使机械壁达到了手术规划规定的位置和姿态,医生利用安装在机械臂上的手术器械完成     

Surgical planning for liver resection

Surgical resection is the cornerstone of curative therapy for primary and metastatic liver tumors. For best results, the surgeon must know the location of all hepatic tumor nodules relative to the major vessels that define the liver's surgical anatomy. Computed tomography is very sensitive for detecting liver tumors, but its planar slices do not fully address the three-dimensional nature of this surgical problem. We have developed a technique using volume rendering of computed tomography data that provides a preoperative 3D map of the liver showing tumor location relative to key blood vessels. This technique also has important implications for emerging, minimally invasive therapies     

Sliding-based image-guided 3D needle steering in soft tissue

This paper presents a sliding-based method for steering beveled-tip needles in a 3D environment. The controller determines the needle roll angle using the needle tip position deviation, obtained from ultrasound images, and its first time derivative. The stability of the closed-loop system is analyzed using 3D unicycle model for the needle, as a result of which parameter constraints are derived. In this method the needle is steered by performing adjustments of needle orientation, which reduces the tissue trauma and injury. The performance of this method is verified by performing experiments using phantom tissue for environments with and without obstacles.