● 摘要
微创外科机器人技术将多学科领域的知识与机器人技术相结合，已经成为了机器人研究的一个重要分支，而图像设备引导的微创外科机器人技术也逐渐成为近年来微创外科机器人研究的一个热点，在胸外科、肝胆外科、心外科、肠胃外科等胸腹外科手术领域有着广泛的应用前景。本文主要研究CT导航微创外科机器人中的控制系统和安全监控系统，以改进CT导航微创外科胸腹穿刺手术现有的工作方式，达到提高手术的效率、精度和整体安全性能的目的。 首先，论文介绍了CT导航微创外科机器人相关技术的发展现状，分析了手术的临床需求以及课题研究的目的与意义。其次，针对课题中所使用的串联机械臂，本文开发了基于FPGA的信息采集系统，实现了对机械臂各关节转角信息的准确采集，并在数据传输过程中引入USB通信模块，使手术规划系统能够实时感知机械臂的空间位姿，利于医生对机器人在手术过程中的具体情况做出准确判断。再次，针对当前CT导航胸腹穿刺手术需要依赖医生经验来完成穿刺，并可能在手术过程中多次调整进针路径和进行CT扫描等问题，本论文为课题中使用的并联机器人开发了相应的控制系统，实现了机器人辅助医生精确地完成定位穿刺的操作，有效地提高了手术效率，降低了医生的工作量，减轻了患者的痛苦并降低了手术费用。另外，本论文分别引入了基于视觉和力觉信息的安全监控子系统，视觉系统起到了保证精确标定导航、实时监控病人移动的作用，力觉系统为术前CT扫描提供呼吸门控，保证扫描准确无误，在手术穿刺过程中实时感知穿刺力，避免穿刺针触碰骨骼等非穿刺路径上的组织，整个安全监控子系统提高了机器人辅助手术的安全性能。 基于上述的研究工作，本论文在最后将上述各子系统集成整合，搭建了CT导航微创外科机器人系统，并在煤炭总医院成功完成了临床动物实验，从而验证了本论文研究工作的有效性，为CT导航微创外科机器人系统进入临床实用研究奠定了实验基础。