题目：基于透视视觉的骨科手术导航机器人系统关键技术研究

骨科手术机器人作为工程和医学交叉的前沿研究领域，在提高手术精度、降低手术难度、减少术中辐射伤害等方面有重要的意义，对于先进的微创骨科手术的推广也有着巨大的推动作用，因此得到了国内外广泛的关注。本文针对国内首台基于透视视觉的骨科手术导航机器人系统，围绕着系统体系结构、定位精度、有效性评估和实验研究这四个关键问题开展了深入的研究。本文针对骨科手术导航机器人的体系结构问题，在对典型的骨科微创手术进行深入的业务流程分析的基础上给出了骨科手术导航机器人系统的核心工作流程、扩展工作流程和远程手术工作流程；以此为依据确定了系统的核心部件和功能模块的划分，建立了部件——功能矩阵图来描述系统的体系结构，并对系统的三个核心部件——机械本体、控制系统和软件系统进行了详细的描述和分析。本文针对骨科手术导航机器人的精度问题，在C型臂透视视觉模型和两种典型的投影变换（仿射变换和射影变换）模型的基础上建立了基于透视视觉的双平面空间定位算法模型，分析了该算法模型中三个主要的误差源对系统精度的影响，并给出了相应的误差补偿方法。针对C型臂透视图像失真对投影变换精度的影响进行了实验测试分析，给出了基于透视失真校正的误差补偿方法，并对补偿的效果进行了验证；用蒙特卡罗方法对标记点拾取的人工误差进行了定量分析，给出了基于亚像素精度的标记点半自动识别方法，并对其效果进行了验证；针对标尺和机器人之间的刚性变换误差对系统定位精度的影响进行了仿真分析，给出一种基于标定的方法，并通过实验证明该方法可有效提高这一刚性变换的计算精度。本文针对骨科手术导航机器人的有效性评估问题，在基于DEA（Data Envelopment Analysis，数据包络分析）相对有效性评估的基本概念和数学模型的基础上，以针对股骨颈空心钉手术的骨科手术导航机器人为例给出了基于DEA的骨科手术机器人有效性评估方法，包括：DMU（Decision Making Unit，决策单元）多输入、多输出模型的建立，输入、输出数据的获取，以及基于C2R模型的有效性定量评估；并以临床模拟实验和临床手术数据为基础，通过DEA评估证明了系统的有效性。本文针对骨科手术导航机器人的实验研究问题，给出了由精度测试实验、临床模拟实验、临床方案实验、临床实验等组成的实验研究过程，介绍了针对胫骨髓内钉手术和股骨颈空心钉手术而开展的一系列实验的具体过程和结果分析。在临床实验的过程中，本系统完成了国内首例机器人辅助骨科微创手术和远程骨科微创手术。通过本系统在临床中的成功应用，也验证了系统的功能、精度和临床适应性。最后对本论文取得的研究成果进行了总结，并指出了下一步的研究方向。