题目：角膜移植显微手术机器人系统关键技术的研究

机器人系统在临床角膜移植显微手术上的应用，有助于改善手术操作效果，减少术后并发症，提高手术成功率。本文的研究目标是研制开发面向板层角膜移植手术临床应用的显微手术机器人系统，机器人在视觉的引导下，依靠末端环钻和缝合机构自主地完成钻切、缝合的手术关键操作，操作中实时反馈手术中的力和深度信息，并对其进行精确控制。论文针对机器人化角膜移植显微手术面临的若干问题，对机器人系统的关键技术进行深入研究，详细讨论机器人系统总体结构，机器人机构的综合与分析，末端微小型传感器的集成，机器人系统的安全性，并开展临床前期的实验研究，评价机器人的手术操作效果。这些工作为角膜移植机器人的临床化发展打下良好的研究基础。在介绍角膜移植显微手术机器人的应用背景和意义，综述国内外当前的研究现状基础上，根据课题总体目标，研究机器人系统的总体结构。通过对人工角膜移植手术操作过程的分析和对实际手术环境的考察，提出人机协同操作的机器人化角膜移植手术流程，确定手术室布局、操作人员任务分工。研究操纵机器人和实现手术操作的方式，详细讨论角膜移植显微手术机器人系统的总体结构、功能模块的设计和实现。通过分析人工手术钻切、缝合操作，以实现手术基本动作、提高灵活操作能力为目标，提出机器人机构型综合和尺寸综合的方法。为提高机器人绝对定位精度，研究机器人机构标定问题。对于机构型式综合，考虑手术操作的运动约束和臂、腕结构的运动相关性，选择合理的臂、腕关节并加以重新配置，实现末端的空间定位和姿态调整。对于机构尺寸综合，采用机器人雅可比矩阵条件数作为操作灵活性的评价标准，使用数值计算方法对机器人机构的几何尺寸和运动参数进行优化设计。基于机构“误差补偿”方法，采用D-H参数法和微分矢量运动学建立机构误差模型，标定机构误差模型参数，提高机器人定位精度。研究手术信息的测量机理，选择合适的微力传感器和微型位移传感器集成在机器人末端来反馈钻切力和深度的手术操作信息，设计并实现安装定位装置和测量传动机构。提出采用数字滤波方法消除微传感器输出信号传输中的干扰影响，设计低通—带阻串联滤波器和移动平均滤波算法实现信号滤波。提出基于模糊集理论的多传感器信息融合方法消除钻切手术操作中的非真实冗余传感信息，准确判断刀具与角膜的接触状态。研制开发传感器数据采集卡，实现对传感信息的实时采集和处理，以此作为控制系统的传感信号输入反馈量。实验表明机器人末端微传感器的集成对于准确、实时反馈手术信息是有效的。面向钻切、缝合手术操作任务，设计并构建机器人视觉系统，研究相应的成像模型和参数标定方法，并进行稳定性、鲁棒性、标定精度的评测。通过双目立体视觉可以确定钻切手术目标点的空间位置信息。采用手术显微镜单侧摄像机和手术机械臂摄像机组成双目立体视觉结构，建立线性成像模型，使用手术机械臂上带有收放装置的标定块作为参照物，完成视觉系统的标定。对于缝合手术操作，手术显微镜双侧摄像机采集图像，基于视觉生理学理论建立CMO型体视显微镜成像模型，使用多二维网格平面作为参照物，实现视觉系统的标定和快速准确的重构算法。讨论视觉伺服控制结构和相关算法，全局视觉闭环控制能够准确引导显微缝合针到达缝合手术操作的刺入点位置。提出显微手术机器人的安全性定义，采用危险识别和安全保证控制（HISIC）方法，从系统方法论角度提出提高机器人系统安全性的指导原则和内容。采用统一建模语言（UML）描述机器人系统的定义和需求。将故障影响及危害性分析（FMECA）可靠性分析技术作为机器人系统的危险识别、制定安全保证措施、确定安全界限、安全保证检测四方面指导原则的具体应用，并且将UML语言与FMECA方法结合，使FMECA可以应用到人为操作因素和人机交互界面软件安全性的研究中。提出采用危险等级评判和安全有效性系数对机器人系统安全保证措施的有效性进行评价。开展临床前期手术实验研究。完成动物尸体眼钻切，初步评价钻切效果，调试系统参数；对于活体动物角膜钻切实验，提出从钻切操作位置误差，实际钻切深度测定，切口的圆周对称性和深度沿圆周分布一致性，形态学和病理组织学评测，角膜内皮组织观测五个方面，科学地定量评价角膜移植手术机器人钻切操作的效果；完成尸体眼球角膜钻切实验，为机器人系统应用于临床角膜移植手术积累经验。进行琼脂球模拟缝合和动物尸体眼球缝合实验，并对机器人缝合操作效果进行评价。实验表明，角膜移植显微手术机器人的系统结构和各项功能达到临床手术环境和操作的要求。