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。     

基于自学习算法的BCG信号处理方法

针对心冲击描记(BCG)信号中心跳波形缺乏确定模型且受多种因素影响的特点,提出了基于自学习的心跳识别算法.使用聚类分析的方法,有效提取了BCG信号中具有高度相关性的一组曲线,并将其作为心跳模型.将心跳模型与BCG信号进行匹配,捕捉到心跳信号进而得到心跳周期.经实验验证:算法得出的心跳周期误差在±2%以内,并在Android平台上进一步验证了其准确性和实用性.     

骨科机器人空间设计方法研究

在分析骨科临床手术环境中各类空间的基础上,用带有约束激活函数的集合对临床空间进行了描述．采用机器人占有空间、医生占有空间、手术对象空间、手术器械占有空间、机器人工作空间、机器人有限灵活空间、误差敏感系数等概念,结合骨科临床手术环境,提出了骨科机器人空间设计的内容和方法．通过空间设计,合理使用骨科机器人的有限灵活空间,可以提高机器人的手术精度,简化机器人的结构,增加机器人的安全可靠性．最后,以双平面骨科机器人的空间设计为例,验证了方法的可行性．     

基于针孔模型的双目视觉标定误差仿真分析

为了直观反映双目视觉系统各参数标定误差对系统定位精度的影响,基于针孔摄像机成像模型和概率统计理论,运用蒙特卡罗法对轴线平行结构的系统定位误差进行仿真分析.针对视觉定位模型求解空间点表达式复杂的问题,为便于仿真,根据成像模型参数的相互独立性,提出了一种单参数分析定位误差的方法.利用该方法进行的仿真结果及其实验验证表明:内参数中,主点(u0,v0)的标定误差对系统X、Y方向定位精度影响大,焦距fu的标定误差对系统Z方向定位精度影响大;外参数中,旋转角β和基线t1对X、Y、Z3个方向定位精度的影响都较大.该结论对双目视觉系统设计及参数标定具有一定的参考价值.     

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．     

脊柱椎板切除手术导航系统人机交互设计与实现

研究了脊柱椎板切除手术光电导航系统的应用特点,分析了外科医生的工作内容、流程和方法,建立了医生的认知模型和行为模型,在此基础上,结合椎板切除手术的过程和难点,从安全性和可用性角度提出了人机交互的内容和方法.根据光电导航的特点,在手术空间布局、软件界面布局、三维图像可视化和配准、手术规划及导航操作等方面,设计了椎板切除手术导航系统的人机交互内容.通过临床实验,论证了此方法的导航功能以及人机交互的安全性、高效性和易用性.     

一种用于外科手术导航的双目视觉简化系统

针对外科手术导航光学定位仪参数标定过程繁琐和对应点匹配歧异性大的问题,进行了双目立体视觉简化系统的研究.运用坐标变换方法一次性标定系统24个参数;选用黑白棋盘格标记物和运用相似性度量原理,简化立体匹配过程、提高立体匹配准确度.利用标定后的系统对标记物之间的距离进行测量,在距双目视觉传感单元1.5 m范围内误差小于1 mm.交叉韧带重建手术导舷模拟实验表明:该系统具有稳定,可靠,标定方法简单,匹配准确,定位精度高的特点,能够满足外科手术导航的要求.