基于机器人指导神经外科手术指导体系

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1、基于机器人指导神经外科手术指导体系-->1绪论1.1引言随着机器人技术的发展及其应用范围的扩大，近些年来机器人技术在医疗服务领域也得到了广泛的应用，包括被用来辅助或者代替人类医生进行医疗诊治与护理。目前，医用机器人大致分为外科手术机器人、射线介入治疗机器人、无损伤诊断与探测微型机器人、器官移植手术辅助机器人以及康复护理机器人等几种。其中，研究与应用较多的是外科手术医用机器人，如神经外科手术辅助机器人。在医疗外科机器人的研究中，机器人辅助立体定向神经外科手术是一个重要的研究方向。本论文研究的神经外科手术机器人导航定向系统是当前国际机器人学术界的研究热点之一，属于多学科交叉领

2、域。对该系统涉及技术开展研究将在很大程度上改变现有神经外科手术的过程和方式，也必将在外科手术的诸多领域引起深刻革命。1.2医疗手术机器人系统发展现状1992年，美国斯坦福大学医疗中心开发了基于图像引导的机器人辅助立体定向神经外科手术系统。该系统能精确构造出病人头部的三维模型，并能通过病人头部的标志点建立实际头部坐标系与模型坐标系的关系。手术过程中，医生可在计算机屏幕上观察到病人头部的三维解剖信息，确定手术时机器人入路位姿，选择最佳手术切入路径，最终成功摘除病人的脑肿瘤。虽然手术由人工进行，但从操作方式上讲该系统就是一套以机器人为辅助设备的手术导航定向系统。除了以上两个实例

3、外，另有相关报道称，1989年，日本ITRON公司生产了商业化的脑外科立体定向手术机人;1997年，德国科学家TC.Lueth研究开发了基于并联机器人机构的脑外科手术机器人系统。此外，从近几年国际上的学术会议专题中也可以发现医疗手术机器人迅猛的发展态势。1995年，在日本召开的ICRA会议上虽然只有一篇关于医疗外科机器人系统的研究论文，但2000年在日本召开的工EEE的IROSZ000会议上，关于医疗外科机器人方面的研究就单独设立了RehabitationRobots、MedicalandRehabitation、MediealRoboti。S等几个专题。2000年，在美

4、国召开的CARS2000会议中，神经外科已被单独列为一个专题进行讨论。而且，医用机器人辅助外科手术系统已被著名学术期刊工EEESPectrum预测为未来世界十大技术之一国。………………2神经外科手术机器人导航定向系统总体方案设计2.1引言采用计算机和机器人系统进行立体定向外科手术，可以使得整个系统根据患者病灶点及周围组织的三维图像信息和规划出的最佳手术方案在手术进行前自动计算出开颅位置和方向，并精确计算探针导管的插入深度，再利用机器人精确的定位能力，形成一个能对患者脑部病灶点进行活检、放疗和切除等手术的可靠的操作平台。神经外科智能医用机器人手术导航定向系统的组成主要分为以

5、下五部分:1)影像数字化及三维图像重构系统将CT和MRI扫描后的一系列脑影像，进行数字化处理，重新构造出由带皮膜覆盖的头颅外表、脑组织结构和病灶靶点组成的三维图像模型，供医生在计算机上进行规划和仿真，达到优化手术参数、确定手术方案的目的，并整理该手术方案的各项技术参数，为得到机器人手术作业的任务参数作准备。2)基于头部体表标志点识别的脑立体定向系统利用CT和MRI技术识别和提取头部坐标系定标所需的体表标志点，并进行患者脑实体坐标系相对于机器人手术作业空间坐标系的转换和病灶靶点及其组织构成的图像及参数的转化与确认。2.2关键问题脑立体定向仪是一种根据利用CT/MRI等影像技

6、术获得的脑组织和病灶点(即手术靶点)的图像信息在患者头部进行实际定位的医疗设备，其功能就是完成影像与实体精确定位的坐标关系表述。无框架定向导航手术系统在影像和脑实体坐标关系定向技术方面与有框架定向导航手术系统的实质是相同的，但无框架系统利用在患者头部放置的“标志点系统”替代“框架标识系统”，并运用机器人精确的空间定位与识别能力，实现神经外科手术准确定位的目的。课题(脑)神经外科手术机器人导航定向系统的功能就是在上述脑外科手术立体定向系统标定手术靶点的基础上(见图2.3)，利用计算机图形图像处理技术将CT/MRI等影像数字化，建立头部脑组织的三维图像和病灶靶点图像，在计算机

7、上实现“虚拟手术”，并确定出对生理组织损伤最小、手术最方便的最优手术路径。………………3神经外科手术机器人导航定向系统运动学分析…153.1引言…………153.2定向方法…………153.3机器人运动学数学基础…………153.4MOTOMANUP6机器人运动学分析…………173.5本章小结…………254神经外科手术机器人导航定向系统软件设计…………264.1引言…………264.2软件设计原则和设计思想…………264.3软件开发平台…………274.4系统软件实现…………304.5软件结构及程序流程…………325神经外科手术机器人导