一种骨外科手术机器人的图像导航方法

精确目标定位和手术路径规划是将机器人用于长骨骨折内固定手术中的关键技术．文中使用了局部法对X光图像进行畸变校正；并提出了一种基于几何模型的对准方法，得到一条能够穿过髓内钉远端孔的路径，从而引导串联机器人锁定髓内钉．实验表明，该导航方法仅需一张X光图像，有足够的定位精度和稳定性，可大大减少手术时间，降低医生所受辐射剂量．     

基于信息物理融合的骨折复位机器人系统构建

针对骨折治疗中传统复位方法（手法复位、牵引复位、手术复位）存在的二次损伤、肌能失调、患肢僵硬、破坏血运及术后矫正动态性能差等问题,提出了一种人-机-物融合的信息物理系统（CPHS）用于指导机器人的复位动作。首先,从CPHS的数字孪生、信息感知、系统集成、手术流程、模拟复位等方面论证了并联机器人信息物理系统的构成,将机器人的高定位精度及可重复性与微创方法有效结合,从而指导医生完成仿真规划及术中监控等一系列操作;其次,根据临床骨折复位过程,在机器人操作下对5组不同骨折姿态的模拟骨折病例进行了复位实验;最后,计算出每组实验复位后的移位残余及角度误差,并与传统复位方法的相应数据进行对比。实验结果表明,CPHS骨折复位机器人相较于传统复位方法,在骨折复位过程和患者术后康复上均有着明显的优势。     

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．     

一种骨外科手术机器入的图像导航方法

精确目标定位和手术路径规划是将机器人用于长骨骨折内固定手术中的关键技术.文中使用了局部法对X光图像进行畸变校正;并提出了一种基于几何模型的对准方法,得到一条能够穿过髓内钉远端孔的路径,从而引导串联机器人锁定髓内钉.实验表明,该导航方法仅需一张X光图像,有足够的定位精度和稳定性,可大大减少手术时间,降低医生所受辐射剂量.     

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     

面向微创手术的医疗外科机器人构型综合

在微创手术中，医疗外科机器人可以辅助医生精确定位和提供稳定的手术平台． 本文结合医疗外科机器人结构特点和手术适用范围，对适合微创手术的机器人结构进行了构 型综合分析．并以此为依据，设计出一种适用于神经外科立体定向手术的机器人，系统已经 应用于临床，取得了满意的效果．     

遥操作正骨机器人虚拟手术仿真系统研究

分析了将虚拟现实技术引入医疗机器人系统的重要性，结合本实验室研制的医疗正骨机器人系统提出了一种基于Java3D、视觉反馈和力反馈的遥操作正骨机器人虚拟手术仿真系统．文章介绍了系统的总体结构、工作原理和软、硬件平台，分析了虚拟和现实两个子系统的工作流程，并描述了系统内各主要模块的功能．     

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.     

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。     

对位对线的粗隆间骨折计算机辅助复位方法

临床医学中,股骨粗隆间骨折复位应同时满足对位和对线的医学需求,现有计算机辅助复位方法不能较好支持.为此提出一种基于对位对线的粗隆间骨折计算机辅助复位方法,以碎骨三角网格模型为拼接对象,通过充分利用人体CT扫描特点,有效地评估下肢力线,实现对线调整;然后以断裂面之间距离最小化为目标,实现对位拼接;通过对位与对线的反复迭代拼接,最终得到复位结果.在粗隆间骨折临床数据集上进行了实验,并与医生手工复位作比较,实验结果表明,该方法能满足对位对线医学需求,有效地提高粗隆间骨折的术前规划效率.     

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。     

基于对称性的颌骨复位方法研究及应用

针对严重错位骨折的颌骨复位口腔外科手术,提出一种帮助医生进行术前规划和准备的破损颌骨复位方法。首先使用移动立方体(MC)算法从患者CT 图像中提取颌骨的面片模型;然后结合图割算法、形状直径函数(SDF)描述子和混合高斯模型的交互式分割方法,允许医生通过简单的勾画快速分割出破损骨块;最后基于颌骨的对称性特性自动完成破损骨块复位。通过破损骨块复位完成颌骨模型重构,能完整保留对医生非常重要的骨折线信息。该方法已应用于自主开发的计算机辅助破损颌骨复位系统,并使用安徽医科大学附属医院的患者数据进行了测试,结果表明了该方法的有效性。     

腹腔镜机器人控制系统的设计及实现

根据机器人辅助微创手术任务的特点设计了腹腔镜机器人控制系统．研究了基于运动控制卡的 开放式机器人控制器结构,设计了机器人伺服系统及相应控制器硬件接口,采用面向对象的技术和模块化思 想开发了系统控制软件,应用灵活度和可操作度概念建立了腹腔镜机器人的手术规划和控制平台．通过调试 伺服参数提高了系统控制性能．实验表明,该腹腔镜机器人控制系统具有稳定性、高可靠性和多任务适应性, 满足微创手术需求．     

配电线路维护机器人虚拟现实仿真系统设计

针对配电线路维护机器人遥显示和在线作业轨迹规划的应用需要,设计了一套机器人虚拟现实三维仿真系统.通过将机械臂姿态信息实时传输到虚拟现实环境中,实现了作业场景3D遥显示功能;根据机器人带电作业需求,设计了一种基于虚拟现实环境的机械臂轨迹规划运动学仿真软件,可在三维虚拟空间测试机械臂作业路径的可行性,具有直观、安全和高效的...     

Optimization of layout and path planning of surgical robotic system

Positioning a surgical robot for optimal operation in a crowded operating room is a challenging task. In the robotic-assisted surgical procedures, the surgical robot’s end-effector must reach the patient’s anatomical targets because repositioning of the patient or surgical robot requires additional time and labor. This paper proposes an optimization algorithm to determine the best layout of the operating room, combined with kinematics criteria and optical constraints applied to the surgical assistant robot system. A new method is also developed for trajectory of robot’s end-effector for path planning of the robot motion. The average deviations obtained from repeatability tests for surgical robot’s layout optimization were 1.4 and 4.2 mm for x and y coordinates, respectively. The results of this study show that the proposed optimization method successfully solves the placement problem and path planning of surgical robotic system in operating room.

     

A Simple and Novel Hybrid Robotic System for Robot-Assisted Femur Fracture Reduction

When performing femur fracture reduction surgery, both the patient and surgeon are exposed to a great amount of radiation, which is harmful to their health. In order to reduce such radiation from the usage of an image intensifier, various robots have been proposed for femur fracture reduction surgery. Most of these robots are based on serial architecture. The low transportable load and poor accuracy are both inherent in serial robots, which makes them inappropriate for femur fracture reduction. Some parallel robots based on the 'Stewart platform' have also been developed for femur fracture reduction, but their restricted workspace limits their applicability and accessibility. To balance the accuracy, payload and workspace, a new robot system is reported in this paper. The proposed robot system consists of a 2-d.o.f. device and a 6-d.o.f. hybrid robot. The 2-d.o.f. device is used for distraction, which requires a very large force. The hybrid robot is used to manipulate a bone fragment for alignment and fixation purposes. The hybrid robot possesses the characteristic of a Cartesian coordinate robot; all the movements of the actuators are linear, which makes its motion smooth for low-speed fracture reduction procedures. The forward and inverse kinematics of the proposed robot are analyzed. The analysis is much simpler compared to traditional serial manipulators and parallel Stewart platform robots. A prototype of the proposed system is made using a rapid fabrication system called Objet. The positioning accuracy of the proposed system is measured using a coordinate-measuring machine. The results show that the algorithms presented in this paper for the control of the robot are accurate and robust.     

Virtual orthopedic surgery training

Medicine is one of the most promising areas for emerging computer graphics and virtual reality techniques. VR training simulators let surgeons practice on virtual body tissue and get the same feedback they would experience in performing a real operation. Hybrid VR systems permit medical practitioners to view the patient overlaid with 3D data sets derived from 3D scanners, thus providing doctors and surgeons with pseudo X-ray vision. While currently available immersive VR surgery systems usually require expensive hardware and software, we developed a desktop VR orthopedic surgery training system that can run on commonly available personal computers     

脑外科机器人控制系统的设计和实现

从无框架立体定向脑外科手术的临床需求出发，设计了微创神经外科机器人黎元BH 600的控制系统．分析确定了系统的控制结构及实施方案，对脑外科机器人的硬件和软件进行了设计，建立了脑外科机器人手术规划和控制平台．通过实验和临床应用结果，验证了该手术控制系统的高精度和稳定可靠性．