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.     

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.     

基于机器学习的机器人辅助椎弓根植钉规划

为了解决脊柱手术机器人辅助实施椎弓根植钉过程中的图像辅助定位问题,该文提出了一种基于机器学习策略的椎弓根植钉规划方法。该方法利用卷积神经网络对脊柱计算机断层扫描(CT)图像进行学习和训练,通过建立神经网络模型确定网络内各层间的调整参数,然后对样本图像进行特征提 取并分类,采用交叉验证法对样本数据进行训练,验证卷积神经网络模型的正确性。通过机器学习方法对计算机断层扫描图像中适合做椎弓根植钉手术规划的图像区域进行识别,从而快速定位到植钉安全约束区域,并通过相应的图像处理方法实现植钉操作规划。医生只需要基于安全约束区域内的植钉规划完成最终的手术任务规划,能够显著提升手术效率。     

基于力反馈的脊柱外科机器人系统的设计与实现

本文针对脊柱椎管狭窄症减压手术中椎管壁磨削不安全这一问题,介绍一种基于力反馈控制策略的脊柱外科机器人系统,包括监控磨削过程的检测子系统、完成磨削手术操作的运动驱动子系统和再现磨削信息状况的控制显示子系统。利用脊柱磨削手术过程中磨削力的变化特点,提出基于力反馈的脊柱外科机器人控制策略,辅助医生实现安全的脊柱手术操作。最后通过仿真实验和模拟骨实验,验证了此基于力反馈控制策略的脊柱外科机器人系统的可行性。     

联合力、声音信号的机器人钻骨操作

在近些年临床机器人辅助骨科手术中,机器人主要用来实现钉道定位,而后续钻削操作依然需要医生完成,因此本文主要针对机器人自主钻削展开研究。首先基于双层自适应模糊控制器实现皮质骨层钻削力控制操作,解决了钻削过程中的非线性时变问题,平衡了钻削进给速度和骨组织热损伤等问题。然后在机器人钻削过程中,分别基于时域和时频分析得到力特征...     

基于刚软耦合模型和粒子群优化的手术机器人骨钻削力控制

脊柱椎体的多层复合结构和易热损伤特性要求手术机器人在对椎弓根进行骨钻孔时需精确控制其轴向钻削力。然而人的个体差异和脊柱-软组织构成的刚软耦合结构会使得通用型力控制器的控制精度不足,手术安全性降低。本文旨在提高轴向钻削力控制的精度。首先建立了基于质量、弹簧和Maxwell黏弹性单元的脊柱-软组织系统的刚软耦合模型。然后在离体羊脊柱上进行了应力松弛实验,并基于实测力数据对模型参数进行了标定。采用PID（比例-积分-微分）控制器来调整骨钻的轴向进给速度,并基于标定后的刚软耦合模型的传递函数,使用动态权重的标准粒子群算法整定控制器参数。最后,仿真证明闭环控制系统具有较好的动态性能和鲁棒性。离体羊脊柱骨钻孔力控制实验结果表明,轴向钻削力的阶跃力响应稳态误差小于0.15 N,相对力控制误差小于3%,且无明显超调;正弦力响应幅度在频率为3.49 rad/s时衰减到-3 d B,闭环控制系统具有较好的控制带宽。所提方法的力控制精度和控制带宽能够满足手术机器人执行骨钻削时的力跟踪要求,提高了机器人自动骨钻削过程的安全性。     

基于虚拟夹具的手术机器人导纳控制安全策略

针对人机协同手术全过程中医生不正确操作以及手术空间复杂性所导致的潜在安全问题,提出基于虚拟夹具的导纳控制安全策略.该策略针对人机协同手术中拖动引导阶段、精准定位阶段以及手术操作阶段的特点,结合导纳控制原理,分别设计了管道虚拟夹具、圆锥体虚拟夹具以及基于人工势场的禁止型虚拟夹具模型.在自主研发的手术机器人上模拟关节置换手术进行相应的实验验证,结果表明管道虚拟夹具可以在一定范围内有效地辅助机器人沿着轨迹运动;圆锥体虚拟夹具可以有效地减小医生拖动机器人时的定位误差,其定位误差为0.23 mm;禁止型虚拟夹具可以有效地避免机器人越过手术区域,从而保证机器人手术操作的安全.     

视网膜血管搭桥手术机器人系统的研究

针对医生人工操作的生理学颤抖造成视网膜血管搭桥手术成功率低的问题,提出了用于辅助医生进行手术操作的机器人系统.在借鉴眼科显微手术机器人系统研究经验的基础上,基于视网膜血管搭桥手术的过程和特点,提出了合理的机器人系统整体设计方案,介绍了机器人的关键机构设计.对临床应用进行了初步探讨,确定了视网膜血管搭桥手术机器人系统的人机协同操作手术流程,提出了手术环境布置方案.最后,在开发研制原理样机的基础上列出了机器人性能指标,对视网膜表面平行运动进行了轨迹规划和仿真,在乒乓球模型上进行了可行性分析实验,并提出了安全保障措施.实验表明,系统设计满足要求,可以初步完成手术动作.     

微创介入机器人系统设计与精度分析

针对微创介入手术对医生的身体危害性及难操作性等问题,设计了一种辅助医生手术操作的新型介入手术机器人系统,并详细阐述了模仿医生实际夹持与旋捻导管动作的仿生手指的设计理念以及基于神经网络的PID控制系统的设计过程。利用所研制出的血管介入机器人样机,开展了推进机构的精度实验,实验测试的各项精度结果证明所开发的推进机构满足精度的设计要求。通过对机构精度和误差来源的分析,给出提高精度的3条可行措施。本介入手术机器人满足设计要求,为同类产品的设计和改进提供了参考依据。     

基于模糊模型参考学习控制的手术机器人人机交互

为了解决机器人辅助手术环境下人机交互运动过程中的不稳定性问题以及医生个人因素难以建模的问题,提出了一种基于模糊模型参考学习的变导纳人机合作控制方法.首先将人体手臂自然运动的特征作为模糊学习控制的参考模型,通过离线学习机构训练出模糊导纳控制器的变阻尼系数调整参数规则.再以医生对机器人的拖拽力以及机器人速度作为输入、机器人期望的速度作为输出,构建基于变阻尼参数调整的变导纳控制方法.离线训练实验结果表明,该方法经过10次离线训练,可以达到柔顺性要求,人机合作速度最大误差低于17 mm/s,且人机合作轨迹最大误差低于15 mm.相比单纯基于固定导纳参数的模糊控制,该方法具有更好的跟踪速度与精度.     

基于生物电阻抗法的椎弓根螺钉植入导航系统

介绍一种基于生物电阻抗测量椎弓根螺钉植入手术导航系统。在实验用家猪的6节椎骨上进行了初步实验,所获取的相关生物电阻抗实验数据表明,该导航系统能实时、准确地反应插入电极到达骨组织的不同部位,从而可望在临床椎弓根螺钉植入手术中起到导航作用。     

基于电磁定位的椎弓根穿刺导航研究

项目主要包含CT图像预处理、脊椎的三维模型重建、手术前的椎弓根螺钉穿刺路径的规划、手术注册以及基于电磁定位的术中实时导航和纠偏报警四大部分。DICOM医学图像的预处理方面,主要包括对图像的灰度化、二值化和阂值分割。三维重建方面,实现体绘制和面绘制,最终期望模型为基于面绘制的三维模型。手术穿刺路径规划方面,首先在三维模型中勾画出病灶区域即靶点,然后依据解剖学知识和医生的经验并参考影像信息,确定入刺点,连接入刺点和靶点则路径规划完成,最后依据手术偏移路径数据库实时分析穿刺路径是否超出设定阈值,并将存储的数据反映到用户界面中予以反馈警报。     

经尿道手术机器人研究进展及关键技术分析

经尿道手术由于尿道解剖结构狭窄、内窥镜视野狭小,对医生的技术和经验要求较高,且术后并发症较多,亟需融合机器人技术提高手术质量、减少并发症、缩短医生学习曲线时间．为促进我国经尿道手术机器人的研究和发展,综述了国内外经尿道手术机器人研究现状,并分析了典型的经尿道手术操作,对经尿道手术机器人所涉及的机器人机构设计、力反馈技术、精密运动控制以及手术导航等关键技术进行了详尽的分析．在总结研究成果和分析关键技术的基础上,指出经尿道手术机器人今后的发展趋势和面临的挑战．     

Navigation integration of a mobile robot in dynamic environments

This article presents a design and experimental study of navigation integration of an intelligent mobile robot in dynamic environments. The proposed integration architecture is based on the virtual‐force concept, by which each navigation resource is assumed to exert a virtual force on the robot. The resultant force determines how the robot will move. Reactive behavior and proactive planning can both be handled in a simple and uniform manner using the proposed integration method. A real‐time motion predictor is employed to enable the mobile robot to deal in advance with moving obstacles. A grid map is maintained using on‐line sensory data for global path planning, and a bidirectional algorithm is proposed for planning the shortest path for the robot by using updated grid‐map information. Therefore, the mobile robot has the capacity to both learn and adapt to variations. To implement the whole navigation system efficiently, a blackboard model is used to coordinate the computation on board the vehicle. Simulation and experimental results are presented to verify the proposed design and demonstrate smooth navigation behavior of the intelligent mobile robot in dynamic environments. ©1999 John Wiley & Sons, Inc.     

基于MEMS激光雷达的智能轮椅SLAM研究

轮椅是残障人士和老年人的重要代步工具,传统的电动、手动轮椅移动方式单一,需要他人辅助完成,且无法主动保证使用者的安全。研究了基于机器人操作系统(ROS)的轮椅室外场景建模、路径规划与导航算法。在轮椅上安装MEMS激光雷达,融合体素网格滤波器和LeGO-LOAM算法完成点云处理和室外场景建模;设计了融合百度地图和激光雷达的轮椅导航方式,使用者可根据百度地图提供的路径规划信息遥控轮椅,在建图完毕后,可仅依靠激光雷达完成路径导航和自主移动;结合激光雷达智能感知算法,实现了道路信息的实时感知,使轮椅具备主动安全功能。通过实验验证了建模、感知算法的功能,并完成了融合导航仿真实验,研究内容能够大幅提升智能轮椅使用过程中的安全性能。     

脊柱手术个性化椎弓根螺钉的计算机辅助设计

在计算机辅助脊椎的矫形手术过程中,椎弓根螺钉的个性化设计是手术成功的重要部分。这种设计包括两部分,一部分是对螺钉进行定位规划,另一部分是确定螺钉的参数。针对传统方法定位不准且操作不直观的问题,提出一种基于面绘制和轮廓线提取的个性化椎弓根螺钉计算机辅助设计方法。首先提取脊椎节的轮廓线,在轮廓线上实现对椎弓根螺钉的定位规划;然后根据定位规划的结果,测量椎弓根螺钉参数;最后显示虚拟手术的结果,完成个性化椎弓根螺钉辅助设计的整个过程。实验结果表明,该方法可以得到满足手术要求的个性化椎弓根螺钉。     

A robot test-bed for assistance and assessment in physical therapy

This paper describes an experimental test-bed that was developed to assist and assess rehabilitation during physical and occupational therapy. A PUMA 260 robot was used with a controller and interface software developed in-house. The robot is designed to operate in two modes: (1) passive and (2) active. In the passive mode, the robot moves the subject's arm through specified paths. In the active mode, a subject guides the robot along a predefined path overcoming specified joint stiffness. In this mode, the controller compensates for gravity so that the robot can support its own weight in an arbitrary configuration. The developed graphical interface enables display of the current configuration of the robot in real-time, and allows us to customize experiments for a subject, and collect force and position data during an experiment. The results of a preliminary study with healthy subjects using this test-bed are also presented along with issues involved in the choice of paths and interpretation of the results.