● 摘要
图像引导微创外科机器人技术是近年来医疗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广阔应用前景。本文研究CT导航微创外科系统中的机器人技术和图像处理技术，通过开发具有CT导航和手术定位功能的胸腹外科机器人系统，改进我国CT导航胸腹外科手术方式，提高手术效率和精度。全文首先介绍了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。提出了分层控制的CT导航机器人外科手术系统结构，介绍了相关组成模块。开发了9-DOF混联机器人以及手术规划和控制软件，建立了CT导航机器人手术原型试验系统。以活体动物肝脏为手术对象，实现了CT导航经皮穿刺微创外科机器人手术。针对CT导航受限空间手术对机器人的要求，提出了串联机构和并联机构相结合、主动机器人和被动机械臂相结合的医疗机器人构型设计思想。基于螺旋理论，分析确定了串联部分和并联部分的拓扑结构。针对并联机器人普遍存在灵活性较差的不足，提出基于位移子群的位移流形运动综合法，重点对2T-3R对称少自由度并联机器人进行了型综合，推导出多种基本流形及其子流形，确定了并联机器人的具体结构，验证了它的单关节定位精度符合设计要求。基于有限元方法，对机器人重要部件进行了静强度校验。通过大量实验和数据比较，讨论确定了串联机械臂的性能指标及其影响因素。在用D-H方法建立运动学模型后，针对传统矩阵变换法难以求得冗余度混联机器人的反解的现状，基于旋量理论指数映射完成机器人运动学建模，提出了“多层指数变换法”，得到“3＋4”7-DOF混联机器人逆运动学的解析解。面向临床手术实际，提出了两种手术方案对应的“5＋4”混联机器人运动学的两种约束条件，分别运用“迭代法＋变量分离法”和“多层指数变换法”得到了各自运动学反解。为确定混联机器人较优的D-H参数、优化机器人拓扑结构、提高手术规划效率，分析了机器人的工作空间和灵活性。针对9-DOF混联医疗机器人运动学的复杂性，难以获得逆解的解析解，提出了基于黎曼流形的灵活性分析方法，定义了混联机器人的灵活度，得到CT导航手术混联机器人的任务灵活度和灵活工作空间。针对传统多边形变形算法需要找初始多边形和终结多边形的顶点相应关系、算法主观性明显、耗时量大等不足，提出了“基于比例点的多边形变形算法”，验证了该算法在胸腹外科病灶体的动态三维显示中的有效性。针对传统的空间定位的相关标定方法耗时长、标定精度低的缺陷，提出了面向体外MARK点标定的基于自制标定模板的低成本无接触快速标定方法，以及面向图像空间标记点边沿检测的算法“Sobel算子最小二乘法”，实验验证了上述方法的有效性。最后基于前面的研究工作，结合国内图像导航胸腹外科的需求展开实验研究，建立了CT导航微创外科机器人手术系统，并在煤炭总医院成功完成临床动物实验。从而验证了本论文的理论研究方法和关键技术的有效性，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。