無框架立體定位神經外科手術機器人機械部分設計開題報告.doc

畢業(yè)設計(論文)開題報告學生姓名：學號：專業(yè)：機械設計制造及其自動化設計(論文)題目：無框架立體定向神經外科手術機器人機械部分設計指導教師:畢業(yè)設計（論文）開題報告1結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據所查閱的文獻資料，每人撰寫2000字左右的文獻綜述：文獻綜述摘要：本文主要介紹有關腦外科機器人的總體概況和發(fā)展情況，研究熱點和展望。關鍵詞：機器人，xRAY、CT、MRI圖像，虛擬現實技術，微創(chuàng)傷，腦外科手術規(guī)劃、仿真和導航1.引言隨著工業(yè)自動化化、航天、海洋、核工業(yè)等領域的發(fā)展,智能機器人技術的應用越來越廣泛。而智能機器人系統(tǒng)的實現，不僅決定于機器人的結構和機器人控制特性，更重要的是系統(tǒng)必須具有多傳感器和智能控制系統(tǒng)。隨著機器人高新技術的發(fā)展，機器人的應用領域已不再局限于傳統(tǒng)的制造業(yè)，其在服務領域的應用正日益受到人們的關注。近年來，由于醫(yī)務工作人員與科學工程技術人員的緊密配合，將先進的機器人技術、計算機圖像技術、計算機控制技術和微創(chuàng)傷外科技術相結合，研究開發(fā)了許多類型的醫(yī)用外科手術機器人系統(tǒng),有的系統(tǒng)已應用于臨床實踐，一些研究成果已顯示出巨大的潛在經濟和社會效益。醫(yī)療機器人是集醫(yī)學、生物力學、機械學、機械力學、材料學、計算機圖形學、計算機視覺、數學分析、人工智能、機器人等諸多學科為一體的新型交叉研究領域。它是基于xRAY、CT、MRI圖像的三維醫(yī)療模型，對醫(yī)療外科手術進行規(guī)劃和虛擬操作，最后實現多傳感器機器人的輔助定位和操作。這方面的研究不僅在提高手術的質量、減少手術創(chuàng)傷、縮短病人的恢復周期、降低病人和醫(yī)院的開支等方面帶來一系列的技術變革，也將改變傳統(tǒng)醫(yī)療外科的許多概念，對新一代手術設備的開發(fā)與研制,對人工假體的設計,對醫(yī)學的教學與研究，對臨床或家庭的護理及康復工程等方面的發(fā)展也將產生深遠的影響,并對機器人技術(Robotics)、計算機虛擬現實技術(Virtualreality)、機械電子學技術(mechatronics)等相關學科的理論與技術發(fā)展也產生了積極推動作用。2.腦外科機器人相關技術在醫(yī)用機器人系統(tǒng)中，醫(yī)療外科機器人的研究最為突出，占有相當重要的地位，醫(yī)療外科機器人系統(tǒng)的不斷發(fā)展，從理論和應用上也提出了許多有待于進一步深人研究的問題，特別是適用于外科手術的機器人系統(tǒng)設計、系統(tǒng)集成和臨床應用研究。下面，結合機器人和計算機輔助外科手術技術的發(fā)展歷史，從腦外科手術規(guī)劃、仿真和導航系統(tǒng)、微創(chuàng)傷腦外科系統(tǒng)、虛擬臨場手術系統(tǒng)幾個方面，回顧一下醫(yī)療腦外科機器人系統(tǒng)的發(fā)展情況。2.1腦外科手術規(guī)劃、仿真和導航系統(tǒng)傳統(tǒng)的外科手術，從診斷到手術的完成，主要依賴于醫(yī)生的經驗。以腦外科手術為例，由于病變部位是不可見的，醫(yī)生只能根據病人的病理特征從經驗出發(fā)進行診斷和手術方案的制定，這種方法帶有較大的或然性。在過去幾十年里，以數學、放射物理學、軟微電子技術和計算機信息處理技術的發(fā)展為基礎，醫(yī)療影像學的發(fā)展非常迅速，如CT(ComputeriedTomography)MRI(magneticresonnanceimaging)、PET(PositronEmissionTomography)、DSA(digitalSubtractionAngiography)、超聲波成像、單光子發(fā)射斷層掃描(SPECT)等，它們將人體的3D解剖信息壓縮到2D的圖像上，為疾病的診斷、病變點的定位、手術方案的確定提供了重要的依據，使得手術的安全性和手術的質量有了明顯的提高。盡管影像學的出現對醫(yī)療外科的發(fā)展有積極的推動作用，但它所提供的信息并不能滿足外科手術的需要。圖1：醫(yī)療外科手術規(guī)劃、仿真和導航系統(tǒng)示意圖近年來隨著計算機圖形學、圖像學的發(fā)展，以及計算機圖形處理速度的迅速提高，人們研究了從2D圖像致3D圖像的重構技術，重構的3D圖像和手術器械跟蹤技術相結合組成了醫(yī)療外科手術規(guī)劃、仿真和導航系統(tǒng)，這類系統(tǒng)由于不直接參與手術操作，具有極好的安全性，被醫(yī)生普通接受，目前已廣泛用于臨床，并形成產品。比較典型的一手術器械跟蹤2D圖像手術器械圖形計算機3D重建規(guī)劃系統(tǒng)仿真系統(tǒng)導航系統(tǒng)醫(yī)生個產品是美國BrainLAB公司的VectorV2s60n系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了基于標記點的圖像空間和手術空間的映射方法，標記點在手術前被粘在病人身上,在器械跟蹤上采用紅外光學跟蹤機制，3D重建也采用了體素建模方法,該系統(tǒng)主要用于腦外科手術，是一個已商品化的產品。采用光學手術器械跟蹤的系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，系統(tǒng)由三大部分組成：3D圖像重建，手術器械跟蹤，規(guī)劃，仿真和導航軟件系統(tǒng)。2.2微創(chuàng)傷腦外科系統(tǒng)這類手術又稱顯微腦外科，或內窺手術。它的特點是不需要在病人身體表面上有大的手術切口，有利于病人的康復和降低醫(yī)療費用。手術時，通過皮膚上的一個小孔將手術器械送人病人體內的病變部位，進而完成手術操作。傳統(tǒng)的方法由于不能給醫(yī)生提供工作空間的三維顯示，也沒有末端執(zhí)行器的力和力矩反饋信息，所以醫(yī)生控制末端執(zhí)行器還看一定的困難。引人機器人技術、遠程操作技術(teleoperation)和臨床感知技術則可以解決這個問題。目前許多研究小組正致力于將微型機器人技術應用于內窺鏡，利用光纖傳感器和壓力傳感器可以實時地監(jiān)視末端執(zhí)行器在體內的工作情況并加以控制。這類系統(tǒng)通常運用于腦外科中。該類早在1988年，系統(tǒng)臨床實用化研究如加拿大的YikSK研究的基于PUMA262的立體定向腦外科機器人系統(tǒng)，它主要研究解決了在機器人的局部工作空間提高機器人的絕對精度，使手術系統(tǒng)的最終誤差能滿足臨床使用的要求。十幾年來各國研制出許多微創(chuàng)外科機器人系統(tǒng)應用于立體定向外科手術.MINERlFA是一種典型的立體定向外科機器人系統(tǒng)，它的機器人與CT固聯(lián)在一起，病人頭部固定在手術床上。機器人末端裝有手術工具自動轉換設備，可以根據醫(yī)生需要更換手術工具。CT圖像在手術過程中實時導引機器人末端的工具連續(xù)運動，完成醫(yī)生規(guī)定的操作。waPler等人則研制了具有并聯(lián)機構的微創(chuàng)外科機器人系統(tǒng)用于立體定向外科手術，機器人聯(lián)接在C型臂上，插入顱內的內窺鏡將手術的實時圖像顯示在計算機上，醫(yī)生可以坐在手術臺邊操縱機器人完成手術。2.3虛擬臨場手術系統(tǒng)虛擬現實技術是90年代為科學界和工程界所關注的