无框架立体定位神经外科手术机器人机械部分设计开题报告.doc

毕业设计(论文)开题报告学生姓名：学号：专业：机械设计制造及其自动化设计(论文)题目：无框架立体定向神经外科手术机器人机械部分设计指导教师:毕业设计（论文）开题报告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文献综述摘要：本文主要介绍有关脑外科机器人的总体概况和发展情况，研究热点和展望。关键词：机器人，xRAY、CT、MRI图像，虚拟现实技术，微创伤，脑外科手术规划、仿真和导航1.引言随着工业自动化化、航天、海洋、核工业等领域的发展,智能机器人技术的应用越来越广泛。而智能机器人系统的实现，不仅决定于机器人的结构和机器人控制特性，更重要的是系统必须具有多传感器和智能控制系统。随着机器人高新技术的发展，机器人的应用领域已不再局限于传统的制造业，其在服务领域的应用正日益受到人们的关注。近年来，由于医务工作人员与科学工程技术人员的紧密配合，将先进的机器人技术、计算机图像技术、计算机控制技术和微创伤外科技术相结合，研究开发了许多类型的医用外科手术机器人系统,有的系统已应用于临床实践，一些研究成果已显示出巨大的潜在经济和社会效益。医疗机器人是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、人工智能、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。它是基于xRAY、CT、MRI图像的三维医疗模型，对医疗外科手术进行规划和虚拟操作，最后实现多传感器机器人的辅助定位和操作。这方面的研究不仅在提高手术的质量、减少手术创伤、缩短病人的恢复周期、降低病人和医院的开支等方面带来一系列的技术变革，也将改变传统医疗外科的许多概念，对新一代手术设备的开发与研制,对人工假体的设计,对医学的教学与研究，对临床或家庭的护理及康复工程等方面的发展也将产生深远的影响,并对机器人技术(Robotics)、计算机虚拟现实技术(Virtualreality)、机械电子学技术(mechatronics)等相关学科的理论与技术发展也产生了积极推动作用。2.脑外科机器人相关技术在医用机器人系统中，医疗外科机器人的研究最为突出，占有相当重要的地位，医疗外科机器人系统的不断发展，从理论和应用上也提出了许多有待于进一步深人研究的问题，特别是适用于外科手术的机器人系统设计、系统集成和临床应用研究。下面，结合机器人和计算机辅助外科手术技术的发展历史，从脑外科手术规划、仿真和导航系统、微创伤脑外科系统、虚拟临场手术系统几个方面，回顾一下医疗脑外科机器人系统的发展情况。2.1脑外科手术规划、仿真和导航系统传统的外科手术，从诊断到手术的完成，主要依赖于医生的经验。以脑外科手术为例，由于病变部位是不可见的，医生只能根据病人的病理特征从经验出发进行诊断和手术方案的制定，这种方法带有较大的或然性。在过去几十年里，以数学、放射物理学、软微电子技术和计算机信息处理技术的发展为基础，医疗影像学的发展非常迅速，如CT(ComputeriedTomography)MRI(magneticresonnanceimaging)、PET(PositronEmissionTomography)、DSA(digitalSubtractionAngiography)、超声波成像、单光子发射断层扫描(SPECT)等，它们将人体的3D解剖信息压缩到2D的图像上，为疾病的诊断、病变点的定位、手术方案的确定提供了重要的依据，使得手术的安全性和手术的质量有了明显的提高。尽管影像学的出现对医疗外科的发展有积极的推动作用，但它所提供的信息并不能满足外科手术的需要。图1：医疗外科手术规划、仿真和导航系统示意图近年来随着计算机图形学、图像学的发展，以及计算机图形处理速度的迅速提高，人们研究了从2D图像致3D图像的重构技术，重构的3D图像和手术器械跟踪技术相结合组成了医疗外科手术规划、仿真和导航系统，这类系统由于不直接参与手术操作，具有极好的安全性，被医生普通接受，目前已广泛用于临床，并形成产品。比较典型的一手术器械跟踪2D图像手术器械图形计算机3D重建规划系统仿真系统导航系统医生个产品是美国BrainLAB公司的VectorV2s60n系统，该系统采用了基于标记点的图像空间和手术空间的映射方法，标记点在手术前被粘在病人身上,在器械跟踪上采用红外光学跟踪机制，3D重建也采用了体素建模方法,该系统主要用于脑外科手术，是一个已商品化的产品。采用光学手术器械跟踪的系统结构框图如图1所示，系统由三大部分组成：3D图像重建，手术器械跟踪，规划，仿真和导航软件系统。2.2微创伤脑外科系统这类手术又称显微脑外科，或内窥手术。它的特点是不需要在病人身体表面上有大的手术切口，有利于病人的康复和降低医疗费用。手术时，通过皮肤上的一个小孔将手术器械送人病人体内的病变部位，进而完成手术操作。传统的方法由于不能给医生提供工作空间的三维显示，也没有末端执行器的力和力矩反馈信息，所以医生控制末端执行器还看一定的困难。引人机器人技术、远程操作技术(teleoperation)和临床感知技术则可以解决这个问题。目前许多研究小组正致力于将微型机器人技术应用于内窥镜，利用光纤传感器和压力传感器可以实时地监视末端执行器在体内的工作情况并加以控制。这类系统通常运用于脑外科中。该类早在1988年，系统临床实用化研究如加拿大的YikSK研究的基于PUMA262的立体定向脑外科机器人系统，它主要研究解决了在机器人的局部工作空间提高机器人的绝对精度，使手术系统的最终误差能满足临床使用的要求。十几年来各国研制出许多微创外科机器人系统应用于立体定向外科手术.MINERlFA是一种典型的立体定向外科机器人系统，它的机器人与CT固联在一起，病人头部固定在手术床上。机器人末端装有手术工具自动转换设备，可以根据医生需要更换手术工具。CT图像在手术过程中实时导引机器人末端的工具连续运动，完成医生规定的操作。waPler等人则研制了具有并联机构的微创外科机器人系统用于立体定向外科手术，机器人联接在C型臂上，插入颅内的内窥镜将手术的实时图像显示在计算机上，医生可以坐在手术台边操纵机器人完成手术。2.3虚拟临场手术系统虚拟现实技术是90年代为科学界和工程界所关注的