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正颌外科手术机器人视觉导航与轨迹规划

销售价格: 150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:若诗 点击次数:168
论文字数:99218 论文编号:el2021042416532222082 日期:2021-04-27 18:49 作者:上海论文网
本文是控制工程论文,本文研究工作主要依托山东大学交叉学科项目“基于三维术前设计与动态跟踪技术的骨科数字手术机器人关键技术研究”、机器人国家重点实验室基金课题“牙颂面畸形矫正辅助手术机器人技术研究”、国家自然科学基金(青年基金)课题“基于三维数字图像相关的颅颂面术中骨块位姿自动跟踪关键技术研究”完成。结合当前外科手术机器人大多以主从式或辅助功能为主,信息整合处理、智能感知、自主作业能力较差、尚未发挥机器人系统优势的发展现状,为手术机器人在临床上的应用打下了基础。在研究内容支撑下,本文己取得的研究成果包括:(1)借助多种传感器与视觉相结合来提高导航系统的综合定位能力,己经成为当前的重要研究趋势。总结上述研究成果可知,目前国内外围绕正颌手术机器人所开展的研究可以概括为机构设计、系统集成和实验验证、视觉导航和基于力反馈的协调控制等几个方向。大多数研究尚处于实验阶段,由于缺乏临床应用的反馈,系统在实际作业环境中的性能还有待进一步研究。

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第一章结论

 

图像配准和目标位姿实时计算时导航系统术中的主要计算模块,其作用是实现术前设计的空间坐标系与术中机器人空间坐标系统一,然后根据测量装置获取的目标特征计算目标在机器人坐标系中的实时位姿。可见,术中测量装置是IGS的核心组成部分。目前,正颂手术机器人导航系统中的测量装置大多采用基于红外光线的立体相机。其优点是性能稳定、开发接口友好、便于系统集成。然而,需要借助特制的标记装置来完成对目标的跟踪,是其在外科手术实际应用过程中的一个明显的缺陷。这种跟踪方式比较适用于对手术器械的跟踪,但却无法实现对术区局部组织的实时观测和定位。在外科手术导航技术领域,也有采用基于自然光的立体相机实现手术导航的相关研究,其主要难点存在与术中影像特征提取以及图像处理和传输的速率等方面,如韩国首尔国际大学搭建的辅助颂骨定位手术机器人系统,虽然提出了基于解剖标记点的定位方法,但标记点识别仍需要通过手工交互方法实现。另一方面,由于正颂手术术区结构复杂且暴露范围较小,仅依靠视觉测量装置很难完成对术区目标组织、重要血管和神经、就位障碍物等的全面定位和跟踪。

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第二章正颌手术机器人导航方法

 

2.1引言
术前规划正颔外科手术机器人导航系统的术前规划模块是基于数字正颌手术设计软件建立的,其数据处理和手术设计的主要包括术前数据采集、多源数据融合、术前方案制定和模拟,系统架构和输入输出数据如图2.1所示。其中,术前诊断过程中的术前数据采集则是所有流程的重要前提和基础。在手术导航流程中,将术前检查数据的采集、影像三维建模、方案制定和模拟的过程统称为手术导航术前规划数据,其涉及的主要技术包括基于CT或MRI的医学影像可视化三维建模、多源三维影像信息融合、三维影像特征提取、三维模型编辑(包括三维模型分割、测量、移动等)。面像照片是评价面型对称性和美观效果的重要诊断参照数据。传统正颌手术通常采用二维相机采集病人正、侧、俯仰等体位的面部图像用于术前面型评价。在系统集成基础上,结合临床需求和应用反馈,借助加入传感器和算法来提升系统安全性、感知能力和自主性,成为正颌手术机器人目前的重要研究目标。
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2.2基于三维影像的手术导航
随着成像技术的发展,近年来,三维相机幵始被应用到正颌外科手术的临床。该类型的三维相机一般由一组深度相机和一组纹理相机组成。深度相机用于采集面部表面点云信息,通过点云拼接实现面部三维建模,最后将纹理相机采用映射的方法与点云信息匹配,最终实现面部三维成像,如图2.2第2列所示。笛卡尔空间中的路径规划,则是先在执行空间中计算出一条经过所有期望路径点的平滑曲线,然后在机器人运行过程中通过逆运动学解算获得关节位置信息。前者能够保证机械臂能够准确到达每个路径点,但点与点之间的路径形态无法控制,完全取决于机械臂的运动学特性。后者能够保证作业路径的整体几何形态和平滑性,但计算量较大。考虑到机器人辅助截骨需要保持截骨过程中路径的整体连贯性和平稳性,本文选取了笛卡尔空间中的轨迹规划方法,主要由几何路径规划和实时轨迹生成两部分工作组成。同时,由于激光骨刀有着严格的焦距约束,需要较稳定的把持,所以具有稳定把持优势的机器人就成为了激光截骨的最佳执行机构。
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第三章基于非对称模板的术前-术中影像配准算法..................45
3.1引言...............45
3.2三维医学影像配准...............46
3.3基于非对称模板的改进算法...............49
第四章基于视觉力觉融合信息的碰撞位置检测算法...............65
4.1引言...............65
4.2力传感器集成与数据预处理...............66
4.2.1腕力传感器安装和系统标定66
4.3基于机械臂腕力传感器的碰撞位置检测...............68
第五章基于术前三维影像的正颌手术机器人轨迹规划方法...............85
5.1引言...............85
5.2机器人辅助激光截骨系统集成...............86
5.3机械臂轨迹规划...............89

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第五章基于术前三维影像的正颌手术机器人轨迹规划方法

 

5.1引言
正颁外科手术的操作流程包括颁骨暴露、截骨、重新就位骨块三个主要步骤。可见,截骨操作是正颌外科手术的一个关键环节。截骨位置不仅能影响周围组织的损伤程度,更能够决定术后精度以及术后恢复。在多数手术设计软件中,截骨都会作为重要步骤被精确的规划和模拟出来,尤其是上颂骨的LeFortI截骨,如图5.1所示。综合考虑,正颌手术上颔骨操作,符合本研究选择机器人自主任务的标准具有量化执行指标,过程安全可控。因此,本章将机器人辅助上颌骨LeFortI截骨这一具体任务作为重点研究内容。本章首先介绍了机器人辅助激光截骨系统的设计和集成,并提出了一种针对激光截骨刀这种非接触式的末端工具的标定方法与机器人激光截骨轨迹规划算法;最后,通过仿真实验验证了本文所提出的轨迹规划方法的有效性。通过文献和临床调研可知,辅助截骨手术机器人大多采用激光截骨刀作为末端执行工具。其原因在于,激光截骨刀作为一种非接触式的切割工具,具有对周围组织损伤较小,不受到切割力的影响,而且激光切割的切缝的宽度可以达到几百微米的级别,是手工截骨无法达到的。激光刀中的水激光功率可调范围大的优点,既能用于软组织切割,又可用于骨组织切割,而且出血量少,可控性和安全性相较于传统截骨刀都具有显著优勢。

 

5.2机器人辅助撖光截骨系统集成
因此,在前期搭建的正颌手术机器人平台基础上,本文将水激光作为机器人的末端工具,所搭建机器人辅助激光截骨系统包括:基于三维影像的术前设计和术中三维影像显示模块、执行机构(UR5机械臂)、基于双目立体视觉的导航相机,水激光截骨刀及其附件(如图5.2所示)。如前文关键技术介绍中所述,手眼和工具标定是决定系统集成精度的关键步骤。不同于传统刚体工具的标定,在机器人辅助截骨系统中,由于工具的末端为非接触式的激光,导致现有的标定方法不适用于本系统。而导航系统将目标位置或目标路径映射到机器人作业空间中之后,将到“到达目标位置”这一简单指令详细描述为机器人运动轨迹的过程,被称为轨迹规划。如5.2节系统设计中所述,本文所采用的执行机构为六自由度机械臂,其轨迹规划主要可以通过两种方式来实现:关节空间中的轨迹规划和笛卡尔空间中的轨迹规划。关节空间中的轨迹规划需要首先将期望路径点转化为期望的关节位置,然后在关节空间内找到一条能够经过所有期望关节位置的平滑曲线,实现对关节角度、速度和加速度的规划

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第六章总结与展望

 

针对现有的配准方法受特征点识别误差影响较大的缺陷,提出了一种模糊化不对称模板的术前-术中影像配准方法,借助改进的区域生长算法将术前影像中的配准标记点自动扩展为配准标记子区域,扩大了精配准过程中的搜索范围,从而有效地减小了特征点识别精度的权重,提高了算法的精度和鲁棒性。(3)结合临床应用的具体需求,设计了了机器人辅助颂骨重新就位系统,并借助视觉导航信息与六维腕力传感器信息,建立了一种基于视觉-力觉信息融合的碰撞位置检测方法,解决了上颂骨就位过程中无法完全依靠视觉导航检测碰揸千扰的问题,提高了手术机器人的感知能力和安全性。针对这个问题,本文采用了一种借助于特定装置的导航下激光截骨工具标定方法。前文中详述了正颂手术术前任务规划、术中导航配准等流程。(4)结合临床应用的具体需求,搭建了基于术前设计和水激光截骨装置的机器人辅助激光截骨系统,并建立了基于术前三维设计数据的激光截骨轨迹规划方法,解决了传统手术无法在术中复现术前规划截骨线的问题,以及人工实施激光截骨时对无法精确聚焦和截骨探头把持不稳等问题。
参考文献(略)
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