毕业设计（论文）-无框架立体定位神经外科手术机器人机械部分设计（全套图纸）.doc

本科毕业设计说明书（论文） 第46页 共44页全套CAD图纸，翻译，开题报告等，联系1538937061.引言 近几年来，医疗机器人与计算机辅助医疗外科技术已经在多学科交叉领域中兴起，并成为越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题之一。它是在计算层面扫描图像或核磁共振图像基础上构成的三维医疗模型，用于医疗外科手术规划和虚拟操作，最后完全实现多传感器的辅助手术定位和操作。准确性越来越高机器人在三维空间具有高准确性，可以做到人手不能达到的高精度。医疗外科机器人系统由辅助规划导航和辅助操作子系统组成，在一个具体的医疗外科机器人系统中这两个子系统既可以并存，也可以独立存在。手术规划导航以计算机图形学为基础，以CT、MRI、血管 造影等影像学为主要手段，在手术前由计算机通过病人的诊断图像（ CT、MRI、血管造影等）来构造出病体的内部结构三维模型。辅助操作则以三维模型和手术器械跟踪为基础，辅以相应的软件。医生在外科手术前后得到以下三方面的帮助：第一，在开始手术之前，医生可以浏览病人手术部位的三维重构图像，从而对该部位及邻近区域的解剖结构有一个明确的认识，然后进行手术规划，如勾画病灶轮廓，确定手术路径。第二，手术规划完成后，医生可以在三维图像上进行手术的仿真操作，以确定最佳的手术方案。第三，最后通过机器人系统完成手术的导航、定位和具体操作。在手术过程中，医生可以观察到手术器械在人体组织中的位置和器械周边的组织信息，以确保手术的安全进行。传统的手术方法由于手术部位不能预见，手术过程亦不能预演，手术的成功与否过分依赖于外科医生的解剖学知识和手术经验，手术的风险和创伤都比较大。而在手术规划导航系统上进行手术方案选择时，医生亦可以将他以往的经验融于其中，使手术方案的可行性得到进一步的提高。辅助手术操作是在手术规划导航完成后，再将手术方案的技术参数从手术规划导航系统传送给机器人控制器，通过映射算法将图像空间（计算机空间）的规划参数变换到机器人操作空间，最后由机器人按预先确定的手术方案完成指定的辅助手术操作。可靠性越来越强在发达国家已经出现医疗外科手术机器人市场化产品，并在临床上开展了大量的病例应用研究。美国开发的系列产品已分别用于辅助矫形手术和无框架的立 体定向脑外科手术中。ComputerMotion公司开发的微创手术机器人包括三个子系统，实现了胸腔、腹腔、心脏等微创手术的遥操作。其中 ZEUS系统由三只置于手术床上的交互性机械臂、计算机控制器及医生控制台组成。手术时，医生坐在控制台前，观察手术情况的二维或三维显示，用语音指示控制内窥镜，并通过仿医疗手术器械的操作手柄来控制手术仪器。其中一只机械臂采用声控的交互方式控制内窥镜，另外两只机械臂在医生的控制下操作手术器械。IntuitiveSurgical公司的daVinci系统具有和ZEUS相似的功能，已获得欧洲CE认证和美国FDA认证，是世界上首套可以正式在医院手术室腹腔手术中使用的医用机器人手术器械。该系统的构成包括一台三维视像系统的外科医生控制台、三支可定位及精确地操控内窥镜的机械臂、内窥镜抓持手等设备。手术中，医生坐在控制台前，通过观察计算机画面上被放大20倍的病人体内组织的三维影像，操作控制杆来完成手术，并可模拟医生的手部动作。抓持手是仿照人类手腕设计的机械手，可转动，能够做抛掷、摆动、紧握等动作。机械手配有特制的手术器械，可以使医生从1厘米的切口进入病人体内进行手术。我国从20世纪90年代中期开始医疗外科机器人的应用研究，一些医院相继采用国外的机器人进行微小创伤等系列手术，如心脏动脉搭桥、瓣膜替换等手术。北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学等也开展了医疗机器人的研究。比较国内和国外现状可以看出， 国内医疗外科机器人的研究规模和范围小，机器人功能相对简单，能够执行的手术种类少，临床试验少。在推广方面尚未形成商业化运作的产品，无法满足不同医院、不同科室的特殊需求。在政策方面，缺少跨学科研究激励机制，缺乏科研机构、医院和产业界的密切合作，从而影响了医疗外科机器人的研究开发和产业化。由北京航空航天大学、清华大学和解放军海军总医院合作开发的机器人辅助无框架脑外科立体定向手术系统开创了国内自主开发医疗外科机器人的先河。该系统至今已成功完成多例临床手术，获得病人和医生的认可。脑部的常规手术，先要在病人头上戴一个金属框架，以起到固定和定位作用。为此，要在病人颅骨周围用4个螺钉固定框架， 病人要带着框架到CT室进行扫描，带着框架接受手术，病人很痛苦。 医生仅能根据CT扫描图像凭经验来考虑手术方位，并从框架标尺上读取靶点的三维坐标，操作繁琐费时。手术时有框架的影响，部分位置无法下穿刺针，会造成手术死角。使用医疗外科机器人，医生术前只要将4个标志贴在病人的头部，病人不必戴框架。与常规手术不同的是，医生要用CT扫描出多张脑部图像，这些图像要输入电脑合成为三维立体图像。基于虚拟现实技术，在电脑上，医生可以任意选择观察病灶的方向，并可借助键盘和鼠标操作模拟穿刺针进针方位，在术前就可以进行充分的手术方案分析对比，最终选择出最佳方案。在手术进行时，病人头部固定后，用机械臂点取病人头部的4个标志点，进行图像空间与手术操作空间的简易映射，即在电脑中建立对等的脑部位置三维图形。手术中，医生移动机械臂，计算机屏幕上便可实时显示出穿刺针的进针方位。同时，机械臂还是医生的手术操作平台，依靠机械臂末端的导航器与实时显示 在电脑屏幕上的监测图像，医生可以把穿刺针毫厘不差的刺入病灶中心，病人头部仅留下一个直径5毫米的小孔。创伤越来越小机器人辅助立体定向外科手术系统操作精度高，定位准确，误差小于1.5毫米。如依靠机器人施行脑手术，病人始终处于清醒状态下，半小时左右手术即完成。术后3到5天，大部分病人就可走出医院，实现了微创伤，缩短了病人术后恢复时间，手术成功率高。而常规脑外科手术则存在术中流血多、易误伤正常脑组织、创口愈合慢及术后感染等问题，从而易造成神经损伤，甚至危及生命。机器人辅助立体定向外科手术系统可以最大限度利用现有技术，提高疾病的诊断和手术治疗的质量，拓宽手术治疗的范围，在机器人的支持下使原来无法进行的手术能够进行。这不仅能实现微创伤，缩短病人术后恢复时间，还可提高手术可视化程度和手术安全性。同时，这样还能减少手术中使用的放射性设备或药品对医生的伤害，缩短手术时间，降低医疗成本。人们开展医疗外科机器人方面的研究，不仅会在手术精确定位、手术最小创伤、手术质量等方面将带来一系列的技术变革，而且将改变常规外科的许多概念， 会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产生深远的影响。它还会对智能机器人、计算机虚拟现实、微机械电子学等相关学科的理论与技术发展产生积极的推动作用。随着这项技术的不断发展，越来越多的手术禁区将被打破，越来越多的疾病会得到有效的医疗。应用越来越广随着计算机和机器人技术的不断进步，将有越来越多的新技术应用在医学领域。现在，许多工程技术专家正在致力于虚拟临场手术技术的研究。虚拟临场手术是机器人辅助外科手术系统与虚拟现实技术相结合的辅助外科技术。在过去的机器人辅助手术系统中，医疗图像数据仅仅用来重构病人的解剖结构，而系统没有提供与这些医学数据直接地、深入地、实时地交互式的测量和操作功能，所以未能充分发挥这些数据的科研和医疗价值。当虚拟现实技术被引入到医疗领域中以后，人们找到了一条很有前途的医疗外科手术路径。虚拟现实医疗系统是一种人机接口，它表现为三维画面空间中人机交互控制的高度灵活性。理想的接口可以通过视觉、力觉、听觉等方面的传感器对人的语言和姿态做出实时反应，允许使用者不仅和计算机的画面打交道，还可以和其他使用者打交道。虚拟现实技术通过将人和传统的计算机接口及现实空间分离开来，使人和计算机数据的关系发生根本性变化。在虚拟现实系统中，人们可以在任何级别、任何角度、任何位置来研究三维的虚拟模型。拥有这种系统，不仅能在手术中起辅助定位和导向的作用，它还可以使医生在虚拟环境下进行手术规划和仿真，并成为医疗培训和教育的数据库。虚拟临场医疗外科机器人手术系统允许医生进行异地手术，即手术时，手术者不在手术现场，手术由手术者在异地通过计算机控制手术现场的机器人完成。手术器械上的受力情况通过临场感知系统从手术现场传送给手术者。手术现场的其他情况通过视频监视系统传送给手术者。由于虚拟现实中先进的力反馈传感技术，医生在异地进行虚拟手术时还可以有真正工作的感觉。美国、日本的科学家已经率先开展了这方面的临床研究。竞争越来越激烈目前，医疗外科机器人系统的研究和开发引起了西方许多发达国家如美国、法国、德国、意大利、日本等国政府和学术界的极大关注，并投入了大量的人力和财力。早在20世纪80年代，西方七国首脑会议就确定了国际先进机器人研究计划（IARP），至今已召开过多届成员国医疗外科机器人研讨会。美国国防部已经立项，开展基于遥控操作的外科研究，用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。法国国家科学研究中心开展了医疗外科仿真手术、规划和导引系统的研究工作。 欧共体也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一。以医疗外科机器人系统的研究为基础发展起来的医疗电子设备的产值在过去几年以每年10的速度增长，大于工业方面的增长速度。人们预计，医用机器人在今后五年内还会以每年2040的速度增长。各国政府不仅希望医疗外科机器人系统的研究能为疾病的治疗带来方便，产生良好的社会效益，更希望医疗外科机器人的系统研究能生成一个新的经济增长点，获得良好的经济效益。在学术界，医疗外科手术机器人是近十年来的研究热点，发达国家一流大学和研究机构纷纷建立研究中心和专门实验室开展手术机器人的理论和应用研究。美国开发了“SteadyHand”系统，用于眼科显微外科学的手持主动式装置，提高手术操作的精度，消除医生操作颤抖对手术的影响。麻省理工学院的AkhilJ.Madhani等人针对现有MIS 手术器械灵巧性不足的问题，开发了一种用于医疗缝合的机器。UCBe rkeley开发了带有力反馈和立体触觉的遥操作微创手术系统。JHU、M IT、CMU的研究人员合作建立了工程研究中心，致力于新型计算方法、 界面技术和计算机集成手术系统的研究。在欧洲，英国Imperial大学 研究前列腺和膝关节手术机器人，法国TIMCIMAG研究小组开发心包 穿刺机器人系统，德国开发了用于内诊镜手术的模拟训练，意大利研究了微创器械前端操作器的设计。在日本，K.BShimoga等研制了用于微创神经外科手术的带触觉的机器人系统，东京大学研制了腹腔镜手术中主从机器人系统以及脑外科活检机器人，名古屋大学主要研究微创手术设备的触觉反馈。计算机技术和机器人技术在外科手术的应用，引起了一场新的革命。正如该领域中的著名学者美国RMTaylor教授的评价，机器人和计算机技术对于外科手术的影响将如同计算机集成制造对于产品制造的影响一样广泛和深远。2医疗器械的设计原则及程序2.1 医疗器械的概念及构成所谓医疗器械是人们为了配合医学上的各种诊断、治疗方案，减轻体力劳动，提高工作效率和增加治疗精度而设计制造的劳动工具。同其它机械一样，组成医疗器械的最基本单元称为机械零件，如机械中的轴、齿轮和轴承等。而为完成同一使命在结构上组合在一起的、一套协同工作的零件总称部件，如联轴器、减速器等。零件的构成部分称为元件。一般情况下，零件和元件没有严格的界定，在不同的场合经常混用。2.2 医疗器械的设计原则及程序2.2.1 设计的基本原则一种机械的设计首先要胜任其功能，在这个前提下，还应满足使用上、经济上、安全上、外观上等各项要求。（1）使用方面。要求机械在给定的工作期间内应具有高度的可靠性，亦即能自始至终地工作。（2）经济方面。首先要求在满足机械各项性能的基础上尽可能地降低制造成本；其次是利用该机械加工出的产品的成本也要低。（3）安全操作方面。要保证医生的操作安全。应用连销装置和保险装置来减少误操作；操作要轻便有力；操纵机构的部位要适合人体的生理条件；简单、重复的劳动应由机械来完成，要尽量减少机械本身的噪声污染。（4）外观方面。要求外观不但要协调大方，而且要在色彩上完全适合于应用环境，为操作者创造一个非常好的工作环境。2.2.2 设计方法通常地讲机械设计的方法有以下几种：（1）内插式设计。在两个现有方案中做内插式设计是一种常用的设计方法。这种方法有成功的经验可以借鉴，只要设计时精心对待，认真做一些技术改进工作，通过少量的试验研究，就能有把握设计出成功的产品。（2）外推式设计。同内插式设计不同，虽有部分经验可以借鉴，但外推部分尚处于未知领域。若某运行参数超过通用设计方法所允许的范围，就可能产生意想不到的结果。因此，外推式设计必须慎重对待，对外推领域要做好技术开发研究，进行理论探讨和科学实验工作。（3）开发性设计。应用新原理新、技术设计新型技术装备的工作称为开发性设计。开发性设计分为功能设计和结构设计。功能设计时要运用理论力学、机械原理、液体力学、热力学和摩擦学等基础科学原理，许多复杂的设备甚至要用微电子技术、光电技术等。2.2.3 设计程序一种新的机械产品的设计是复杂、细致的工作。要提供性能好、质量高、成本低、有市场竞争的新产品，必须有一套科学的工作程序和方法。新产品的设计从任务提出到投放市场的全部程序要经过4 个阶段：（1）调查决策阶段。首先应进行认真细致的调查，调查项目应包括：基础理论及其应用成果；有关技术情报和专利；用户意见和要求；市场供销和竞争等。在调查研究的基础上，拟订新产品开发计划书，内容包括：调查结果分析；设计方案构思和建议；新技术、新工艺、新结构的采用；投资、价格、成本和利润；设计日程安排等。然后，开始初步形成决策。（2）研究设计阶段。在决策后此阶段开始，一般分两步进行。第一步为功能设计研究，称为前期开发，主要任务是克服技术中的关键问题。为此，需要建立数学、物理模型；对新产品进行试验研究和技术分析；将试验中积累的大量数据，整理编制成设计计算公式和图表。第二步为新产品的结构设计，称为后期开发。第一步完成后，应写出总结报告，内容包括：工作原理和设计方案论证；预定技术性能指标；新技术采用和效果；计算公式和图表；总布局图；外型图等。第二步完成后，应给出总装配图、部件装配图、零件工作图、各种系统图（传动系统、润滑系统、电路系统、液压系统等）以及详尽的计算说明书。计算内容包括动力计算、运动计算、功率确定、强度计算以及刚度计算等。设计完成后，应进行初步技术经济分析。（3）试制阶段。首先在加工工厂进行样机的生产加工；然后进行样机的试验，以测试其各项性能指标和可靠性等；同时还应进行全面的技术经济评价，以决定设计方案是否可用或需要修改，以便使设计达到最佳化。（4）投产销售阶段。产品经试制阶段后，应进行批量生产。首先要小批量试制，投放市场，经过用户的检验和市场考验，确认成熟后，再投入大批量生产。2.3 医疗器械的技术经济评价对机械产品进行全面完整的经济技术评价，不仅是完善该产品的需要，而且是开拓市场的必要条件。一般说来，产品的经济技术评价分为技术评价和经济评价。2.3.1 技术评价技术评价时，某些性能指标（如重量、体积、生产能力、动力、动力消耗等）可以用数量来衡量；某些指标（如外观、操纵性能、维修性能等）则不能。能用数量表示的，由于使用单位不同，不能简单地相加。所以，技术评价常用评分的办法，对每一个评价项目按照优劣不同给予不同的分数，例如：4 很好，3好，2 一般，1 较差，0 差。技术评价用技术价值x表示，则式中P为评定总分数:为满分总分数.当时, ,表示技术价值最高。2.3.2 经济评价经济评价通常只计算制造费用，因为它是经济评价中最主要的项目。经济评价用经济价值y表示，则 式中:H 为实际制造费用；为理想制造费用。当时，, 表示经济价值最高。理想的制造费用建议取为允许制造费用的70%,可根据市场供销情况确定。2.4 结论无论是医疗器械还是通用机械，其设计的目的是为了减轻体力劳动，提高生产率和实现更先进的工艺。因此在进行设计时，我们一定要严格地遵守其设计原则和设计程序，同时做较为细致的经济技术评价，从而获得最优化的设计。3 无框架立体定向导航手术系统的系统构成31无框架立体定向导航手术系统的发展无框架立体定向导航手术系统属神经外科领域中出现的一门新技术，它把现代神经影像诊断技术、立体定向外科和显微外科通过高性能计算机结合起来.它是微侵袭神经外科的一个重要组成部分。由于神经导航系统是从立体定向外科（图3.1）发展而来，故被命名为无框架立体定位系统，有别于立体定向外科的有框架立体定位系统。无框架立体定位系统不仅有三维空间定位系统，而且有实时导航功能，即可引导外科医生寻找颅内病灶。它不仅可做活检，而且可做显微外科各种手术。因此，无框架立体定位已超越立体走向外科，同样“影像导向外科”也难以区分现代影像技术与过去几十年神经外科应用的影像诊断技术。定向手术的传统做法是一副定向架、一张X线片、一张纸和一支笔。这些依旧是当代定向手术的基本内容和操作步骤，即影像的获得，治疗计划的制订及相互作用的手术，那些早期的定向手术“技艺”今已发展到先进的影像导向神经外科（Image Guided Surgery，or IGS），它是无框架的，由神经影像，计算机及其软件技术与显微神经外科相结合而成，它正逐渐成为广大神经外科医生必须掌握的手术技术。 图3.1 机器人辅助立体定向手术脑立体定向技术的发展史主要分两个阶段：第一阶段：有框架（Frame）脑立体定向阶段1908年Horsley和Clarke创始三维脑立体定向技术，1945年Spiegel和Wycis完成有史以来第一次人脑立体定向手术，脑立体定向学历史上第二次突破是发生在1979年，Brown发明了用定位框架与CT扫描一起配准，用于神经系统非功能性疾病。影像学，放射外科学和立体定向技术的有机结合，衍生出多种新型治疗手段，如脑血管造影定向技术，磁共振立体定向术，多普勒辅助立体定向术，内镜立体定向术，PET辅助脑立体定向术等。立体定向放射外科概念的引入和发展，伽玛刀，X刀及质子束放射系统的应用，使微创或无创的概念得到更进一步的深化。有框架脑立体定向神经外科是其中的一个方面。第二阶段：无框架（Frameless）脑立体定向或影像导像神经外科（Image-Guided Neurosurgery）1986年Robert及其同事介绍一种与CT图像、显微镜相结合的无框架定向手术系统，这个崭新的观念一出现，迅速激起设计制造无框架定向手术的热潮，在工程科技界和厂商结合下出现了一系列无框架定向手术系统。它主要分为两类：关节臂系统（1987年由Watanabe发明）和数字化仪系统。现在市场上主要是数字化仪系统，分以下三种：声波数字化仪：1986年Roberts首次报告使用声波数字化仪跟踪手术器械或显微镜的方法，从而开创了无框架立体定向神经外科。红外线数字化仪：红外线数字化仪导航是美国于1992年应用于临床，那是世界上首台光学手术导航系统。目前市场上大部分产品是光学手术导航系统，我国自行生产的第一台手术导航系统是1999年由深圳安科高技术股份有限公司生产的ASA-610T手术导航系统，也是光学手术导航系统。电磁数字化仪：1991年Kato报告了电磁数字化仪的设计原理和临床应用，该系统主要由三维电磁数字化仪、三维磁源、磁场感应器和计算机工作站构成。由于脑立体定向技术与计算机的紧密结合，使得脑立体定向技术的发展无可限量，目前了解脑立体定向技术在手术机器人方面已经有飞速的进展。1923年Kare Capek在一出游戏中引入机器人的概念，70年代后这个名词被赋予新的含义，目前机器人已被引入神经外科手术领域。神经外科手术机器人包括高质量的机械、电学、导航系统。机器人在导航系统的作用分为两个方面：（1）机器人独立完成的导航手术，包括：数字化图像输入；三维图像重建；手术计划系统定位；模拟手术轨迹；机器人的机械操作，完成外科手术。（2）机器人作为导航系统的配套设备：确保导航手术的精确性和灵活性。微创与手术精确制导是当今神经外科发展的必由之路，神经导航系统九十年代在国际上才逐渐发展起来，是微侵袭神经外科技术的重要组成部分，是提示颅内肿瘤、脑血管疾病、功能神经外科疾病手术疗效、减少并发症的高科技医疗设备，为未来神经外科发展的主流。珠江医院神经外科于2001年1月引进美国枢法模-丹历公司（Sofamor Danek）生产的最新一代Stealth Station 手术导航系统及德国蔡司（Carl Zeiss）公司生产的目前最先进的手术显微镜NC-4，具有诸多的超前技术和功能，属于目前最先进的第三代导航产品，具有下列技术特点：术前设计最佳手术方案；准确定出手术实时的三维位置；显示术野周围结构；术中实时调整手术入路；显示病灶切除范围，避免副损伤。 神经导航系统的应用提高了神经外科的手术质量，使其更安全、更可靠、更准确、更科学，是传统手术理念的进步，能大大提高各种常规神经外科手术的精度，给病人带来极大的益处：侵袭性减到最小；减少并发症的发生；节省手术时间；减少失血量；减小开颅骨窗；减少术后监护时间及住院天数。32无框架立体定向导航手术系统的关键技术外科手术机器人的研究涉及众多领域的知识，关键技术包括：手术机器人、医学三维图像建模技术、虚拟手术仿真技术、遥操作网络传输技术等。321 手术机器人机构手术机器人机构的研制是医疗机器人技术的关键之一。针对手术对象，手术机器人可分为通用和专用手术机器人。一般来讲，专用手术机器人由于针对某一特定的手术对象，要具有与手术部位相匹配的结构形式（如TOBODOCTM系统），在设计时要充分考虑人体结构特点，在实现功能的前提下尽量使结构简单。通用手术机器人可以完成人体不同部位但相类似的手术，如心脏修复、胆囊摘除、前列腺切除手术等，ZEUSTM系统和Da VinciTM系统就属于通用手术机器人。通用手术机器人在设计时应充分考虑机器人的不同作业环境和工作空间，并研制与之相配套的手术器械，以满足不同的手术需要。不管是研制通用型还是专用型手术机器人，都要注意以下几点：（1） 选择合适的机构形式。串联机构由于运动范围大、动作灵巧，适合于胸腔手术、腹腔手术等场合应用，用于操持内窥镜或狭长的手术器械；并联机构由于结构紧凑、刚性好、精度高、运动范围小，适合于骨科手术等要求移动量较小、出力大的场合。将串、并联结合，发挥二者的优点，是未来医用机器人机构发展的一个趋势。（2） 小型化，结构紧凑，便于安装和维修。（3） 根据实际要求可以选择有动力或无动力，无动力一般用于手术导航或定位，同时具有较高的安全性。（4） 符合医生的操作习惯，设计前应充分了解手术过程，各机构以适合手术的特点，便于操作。（5） 方便消毒，保证系统的安全性。为了提高医疗机器人的工作性能，在设计机械本体的时候要考虑到机器人末端的实际运动位置和姿态，确定组成机器人结构的关节类型和相对分布情况。由于对机器人末端既有位置要求，又有姿态要求，而两者之间通常又会相互影响、相互干涉。为了保证机器人的操作位置精度，必须要解决或改善这对矛盾。因此，在操作机设计的过程中，对机构的设计要体现出以下几点：要有必要的安全保证；易于实现高的定位精度；运动直观性强，易于医生进行人机交互；在相同的结构尺寸下，机器人手臂的操作空间尽可能大；机器人腕部必须具有球关节一样的自由度，同时控制至少两个轴的运动才能模拟球结构具有的所有运动。322医学三维图像建模技术基于X-RAY、CT、MRI、PET等医学图像进行3D建模，并基于3D图像进行标定和手术规划是医疗机器人的又一关键技术。计算机利用这些图像信息进行三维图像重建，为外科医生进行手术模拟、手术导航、手术定位、制定手术方案提供客观、准确、直观、科学的信息。同时由于这些图像信息具有准确性和可靠性，也被作为医疗机器人、特别是手术支援机器人的控制信息源。目前国内外实际应用的图像数据可视化方法主要是空域中的面绘制和体绘制两大类。面绘制技术可以获得实时、高质量的显示图像，并且内存需求相对较小，显示速度很快，可以在微机上实现3D图形的交互显示。体绘制方法能够显示时都要遍历整个体数据集，计算量和内存消耗非常庞大，微机上难以实现实时交互绘制。3D可视化模型能够形象地反映人体器官的解剖结构或畸变特征，能够进行电子解剖（动态旋转观察、任意剖面显示等），满足基础研究或临床诊断分析的需要。3D图像交互分析功能使医生能够直接看到而不再是从2D图像上想象人体器官的3D结构。医生可以利用人体器官的畸形立体图像深入细致地定性、定位和定量分析病理解剖特征，完成手术模拟、术语前规划，从而提高诊断和治疗质量。323 虚拟手术仿真技术在临床上不经任何检测而直接应用机器人进行手术的风险性非常高。最好的检测方法就是建立一套虚拟手术仿真系统，按照手术策略在计算机上形象化地预演整个手术过程，不断地发现不足，纠正错误，直到仿真效果达到预期目标时再进行真正的手术操作。手术仿真主要是用计算机虚拟现实技术和增强现实技术来模拟、指导机器人医疗手术中所涉及的各种过程，在实现的目的上包括手术计划制定、手术排练、术中引导和术后康复等。在实际操作时，一般将计算机处理的三维模型与实际手术获得的图像进行定位匹配，使医生看到的图像既有实际图像，又叠加了仿真图形，将想象的空间与现实空间（患者的术野）结合并对应起来，这种基于图像信息而构成且位置吻合的假设空间即是增强现实（Augmented Reality）。目前，虚拟手术仿真正逐渐成为一个新的研究方向，与之相关的研究主要包括：医学可视化、医学增强现实、手术模拟、图像导航和辅助手术技术等。在软件方面的研究包括：基于计算机图形学的虚拟环境几何建模和仿真；基于复杂对象物理特性的运动学和动力学建模及可视化仿真；基于人类器官的传感信息描述和仿真；基于虚拟现实技术的科学可视化、人机交互界面的智能化及自然化等。324 远程网络控制随着计算机技术的飞速发展，网络已经成为人们生活中不可缺少的一部分了，它给人们带来了诸多的咨询，增加了相互间的交流。实际上，从客观考虑，目前的机器人还不可能完全自主完成所交付的任务故将人作为一个环节加入到机器人的控制系统中，为机器人提供实时的关键性的指导。利用远程网络，不同地方的专家根据诊断结果使用机器人，使专家技能的发挥不受空间距离的限制，很大程度的提高了机器人的工作效率。此外，有些手术会有放射性元素污染或辐射的危险，故将手术人员放置在异地，对机器人进遥操作，从而避免了上述危险。值得注意的是通过网络对机器人控制存在一些技术难点需要解决或改进，比如如何控制图像的传输质量和图像传输延迟，如何控制网络拥塞的现象出现，网络传输过程中的安全性以及分布式网络之间的交互协调性等等问题。这里面既有网络架构的硬件设计问题，又有客户端和服务器端软件的建设问题。33无框架立体定向导航手术工作原理我们研究的无框架立体定向手术系统的结构如图2.1所示。系统由计算机规划和导引软件、五自由度机械臂、基于标志点的标定模块等三部分组成。手术时首先将标记点固定在病人头上，然后进行Cr扫描。将cr扫描的结果送入计算机，进行三维重建，在图像空间进行四个标记点和手术靶点的坐标测量，并进行手术规划，规划好的路径显示在重建的三维模型上。手术时病人的头部与手术床相对固定，用机械臂在机器人操作空间对标记点进行测量。利用标记点在机器人操作空间和图象空间的测量结果计算从机器人操作空间到图象空间的映射变换。在机器人操作空间中移动机械臂末端的手术探针，导引软件将此时探针的位姿实时地显示在图象空间中，当手术探针图象的轴向与规划的轨迹重合时锁定机械臂。医生以固定在机械臂末端的工具作为手术器械的固定支架，进行各种手术操作 在机器人辅助脑外科手术系统中，医生依然是整个手术过程中的主体，因此，友好的人机交互系统是成功实现无框架脑外科手术的重要基础。我们利用计算机技术和虚拟现实技术，开发了相应的手术规划和导引软件。计算机辅助规划和导引系统的主要任务是手术前在图形计算机上对手术进行规划和仿真，从而达到优化手术参数、提高临床治疗水平的目的，同时在手术中通过重建的三维病人模型和医疗器械跟踪系统对手术过程进行可视化显示，使手术更加安全可靠。人机交互规划与导引分为两部分： 二维术前规划系统和机械臂导引与定位系统。二维术前规划系统辅助医生作出病情诊断，对病变点几病灶进行定位。机械臂导引与定位系统在术前规划的基础上，在计算机上对机械臂进行导引与定位。 由于二维术前规划系统处理的是病人的各种扫描图象，其主要功能包括： Cr、Mm图象的扫描输入，自动分割和提取、自动对准系统提供了通用的扫描仪驱动，可以直接将胶片扫描输入。系统通过输入患者的Cr、Mm图象，自动将大片分割为数张单独的小片，从而可以使医生对其关注的部分详细观察。我们在这里采用了基于统计的二级阂值的图象识别技术，可以准确的将大部分小片识别出来，同时进行匹配和对准。系统提供了十分友好和方便的交互工具，医生可以方便的使用，对患者的病灶进行勾画，确定息者的手术路径和靶点。系统采用了独有的扫描线边界提取算法，可以自动对图象进行轮廓提取，大大减轻了医生的工作强度。系统可以根据医生对病灶的勾画，自动构造出患者病灶的三维模型。计算出病灶的体积以及长短轴，从而为医生的手术规划提供全面的准确的信息。同时系统可以实现病历输入输出以及存储的电子化。 三维系统建立在病人的三维模型与机械臂结合的基础上，在术前规划的基础上向医生提供一个三维的患者头部模型，使医生从计算机中观察到病人的脑部及机械臂的运动。该系统抛弃了以往立体定向手术中沉重的框架结构，采用了计算机指导下的标志点与机械臂定位技术，从而大大的降低了病人的痛苦和手术成本。医生在计算机和机械臂的辅助下准确定位后，可以通过机械臂上的手术系统进行立体定向脑外科手术，如图3.2所示。 其主要功能包括： 床病灶三维模型的重构及显示 系统重构出患者的病灶三维模型及头部表面模型，医生可以在计算机中对患者脑部进行对任意角度任意距离的观察，使医生对于思者病情有一个立体的认识，同时也可以使系统对机械臂的制导和定位更加直观和准确。 标记点的校准 系统的一大特色是抛弃了原来辅助手术系统中笨重的框架结构，采用了轻便的标记点的定位机制。这就需要计算机与机械臂的紧密结合。系统提供了准确的三坐标系转换方法和工具，使定位精度得到了保证。 系统在进行计算机模型、实际患者、机械臂的结合时，使用了基于标记点的定位方法，在系统中建立起计算机坐标、患者坐标、机械臂坐标的变换公式，从而使系统可以随时监控机械臂的运动，并将其位置以及患者头部正确位置反映在计算机上，医生可以在计算机上实时观察机械臂的运动，预测其在患者脑部的位置和动作。 机械臂导引与定位 由于系统可以准确地完成机械臂、计算机模型、实际患者之间的影射，医生可以在计算机上对机械臂的动作和位置有精确的显示，系统可以计算出当前机械臂与预定位置、姿态的误差，同时系统提供了对三维场景的多角度，多距离的观察，从而可以准确的将机械臂制导到事先计划的位置和姿态上，完成钻颅前的精确定位。系统同时可以计算出机械臂与预定靶点之间的距离，从而为穿刺以及放射性同位素的注射提供有力的帮助。 图3.2 无框架立体定向结构框图34无框架立体定向导航手术系统构成341硬件构成基于上述目标，为了确定控制系统的结构，分析比较了单片机系统、PLC系统、上位机加运动控制器等控制方案。单片机系统价格低廉，但处理速度较慢、位数少，难以实现复杂的控制算法，难以实现多轴联动，可靠性不强，且网络通讯能力差；PLC系统多轴联动的处理能力较弱，难以实现多轴的轨迹插补，高性能的PLC系统价格昂贵，选型非常困难。上述两种方案不能满足本系统的要求。上位机加运动控制器的控制策略，其主要优点是，由运动控制卡完成伺服运算、轨迹插补、I/O控制等功能；上位机转而进行其他的处理，如手术图像处理、手术路径规划、机器人运动正反解等操作。两者之间采用并行总线连接DPRAM通信，处理速度快，能够实现复杂的算法，能够实现多轴联动和轨迹插补，且网络通讯功能较强可靠性高。我们最终采用上位机加运动控制器的控制结构。控制系统结构如图1所示，运动控制卡通过ISA总线和上位机通讯。在本系统中，上位机完成人机对话，对医学影像(如CT、MRI图像)进行处理，将手术部位和病灶区域进行三维重建，由医生使用手术规划软件进行术前规划，包括勾画病灶、确定规划路径和穿刺靶点等操作，再由运动规划程序根据医生的手术规划给出机器人运动轨迹规划及运动学方程的反解，通过控制卡控制驱动器，驱动电机，从而实现机器人的运动。与此同时，上位机上载各电机的运动数据，进行分析和处理，对运动轨迹进行记录和监控。在异地及远程手术中,上位机同时还承担网络通讯的任务。本系统机器人有5个自由度,属PRRRR结构。机器人每个关节各自配备交流伺服电机和驱动器。除第五关节没有限位以外,其余关节都具有两个限位开关及一个零位开关。而且每个电机都具有抱闸功能。控制卡和接口卡之间采用多芯屏蔽线和专用插头直接相连,接口卡和电机驱动器之间的控制信号线、驱动器和执行电动机之间的控制信号线和码盘反馈信号线、接口卡和限位开关及零位开关之间的连线也都是采用多芯屏蔽线相连,以保证控制信号和反馈信号不会受到干扰。 手术器械机器人本体体机器人控制器 通 信 系 统监视计算机图形工作站VR设备遥控操作设备导引机器臂传感器传感控制器在线监视计 算 机 图3.3 脑外科机器人系统的硬件构成图3.4 控制系统体系结构示意图342软件构成 脑外科机器人的软件系统主要由三个部分组成：运动控制软件、仿真软件以及计算机规划软件和导引软件。如图3.4所示。导引软件传感器信息处理软件图象处理及三维重建软件辅助诊断软件规划软 件仿真软 件机器人运动控制软件机器人运动控制程序遥控操作控制软件安全检测软件VR功能软件 图3.5 脑外科机器人系统的软件构成4驱动部分的设计41驱动部分综合概述参考各种工业机器人的驱动方式，总的来说可以分为三种驱动方式：液压驱动，气动驱动，电动驱动。根据机器人的作业范围，工作环境以及各种其他因素的不同而选择不同的驱动方式。对于不同的机器人而使用的不同的驱动方式有着其优点和缺点，而在选择上是根据综合方面的因素考虑的，最终得出一种合理的设计方案，使机器人能最大效率的完成设计人员所要的作业需求。下面就是各种驱动方式各方面的综合比较：表4.1 各种驱动方式综合比较图表内容驱动方式液压驱动气动驱动电动驱动输出功率 很大，压力范围为50140N/cm2 大，压力范围为4860N/cm2，最大可达100N/cm2 较大控制性能 利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制 控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度 很高 较高 很高结构性能及体积 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小 伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑。安全性 防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险 防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性 设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响 液压系统易漏油，对环境有污染 排气时有噪声 无在工业机器人中应用范围 适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人 适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具 适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等成本 液压元件成本较高 成本低 成本高维修及使用 方便，但油液对环境温度有一定要求 方便 较复杂从上面的图表中可以详细看出各种驱动方式都有各自的优点和缺点，在选择时应该综合考虑各方面的因素。本课题研究设计的机器人系统是用于医疗方面，可以知道是用于手术时的辅助设备，在手术过程中安全性是首要问题，因为有一点儿差错都有可能对病人的生命安全造成威胁，还有手术的环境应该是干净卫生的，进行手术的位置准确度是要求非常高的。所以就上面的一些方面的要求就可以大致选取电动驱动方式。在控制方面其优点：控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好。适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度。因此非常适合用于本课题所要设计的医疗机器人的驱动部分，很好的适用于其作业要求。42 电机的选择421 机器人本体分析通过分析机器人本体的设计要求、设计时所要考虑到的各种因素以及一系列设计参数，从而合理的选择驱动电机。下面参考一下工业机器人PUMA-262的各方面设计要求和机械参数：（1） 大、小臂均采用薄壁与整体骨架构成的结构形式，有利于提高刚度减轻重量。内部铝铸件形状复杂，既用作内部齿轮安装壳体与轴的支承座，又兼作承力骨架传递集中载荷。这样不仅节省材料，减少加工量，又使整体重量减轻。手臂外臂与铸件骨架采用铰接，使连接件减少，工艺简单，减轻了重量。（2） 采用薄壁轴承与滑动铜衬套，以减少结构尺寸，减轻重量。（3） 有些小尺寸齿轮与轴加工成一体，减少连接件，增加了传递刚度。（4） 大、小臂，手腕部结构密度大，很少有多余空隙。电机与臂的外壁仅有0.5mm间隙，手腕内部齿轮传动安排亦是紧密无间，这样使总的尺寸减少，重量减轻。（5） 重复定位精度高。这是由于结构上采取了刚性齿轮传动，调整齿轮间隙机构，弹性万向联轴器。工艺上加工精密，多用整体铸件的结果。机械参数：结构形式关节式；自由度6；1.23m/s；腕部最大负荷1kg；驱动方式直流伺服电机。我们可以看看本课题所要设计的机器人，通过比较对电机的选取是非常有帮助的。本课题研究设计的机器人本体也是关节式机器人，五关节机构，主要优点就是移动范围很大，有利于手术作业，具有很高的灵活性。考虑到整体重量轻，采用铝合金材料，移动速度要求低，这是整体结构设计时所需要的基本要求。各关节之间的运动关系如下：通过电机1驱动机身，使各手臂随机身绕轴1做旋转运动；电机2使大臂绕轴2做前后摆动；电机3通过连杆使小臂俯仰动作；电机4使手腕绕轴4做回转运动；电机5使手腕绕轴5做一定范围内的摆动。机器人的本体优化结构如下图所示。 图4.1 整体结构示意图 从上面的资料可以看出在设计机器人是都是考虑到结构紧凑，整体重量轻，移动速度比较慢，当然可以看出PUMA-262型机器人的移动速度是比较快的。首先考虑速度方面的问题，通常机器人末端执行器的移动方式有直线运动，摆动以及圆周运动等。本课题所要设计的机器人本体部分所要涉及运动的部分都是摆动和圆周运动，即绕某个固定的轴转动，经查证材料上说明室内机器人末端执行器的转动速度在0.33m/s左右，而本课题所设计的机器人是用于医疗方面。因此在速度方面应该比这个速度还要低，这些材料上机器人都是属于工业机器人，速度是比较大的，于本课题设计的医疗机器人不是一个数量级的，所以在选取电机时应该特别注意的。经验上来看假设最后输出的速度为：底座电机带动整体的转动速度和大、小臂的摆动的速度是10r/min左右，手腕部的转动速度和末端执行器的摆动速度是6r/min左右。但实际上是没有转速这么低，所以要设计控制电路和机械减速装置使最终输出的速度达到所要设计要求。下面就从机构所需的功率来初选电机的型号，同时以速度为综合考虑因素。422 电机的选取 用于回转运动型的电力驱动元件，其功能是将电能转换为机械能，输出回转运动和转矩，主要有步进电动机，支流伺服电动机，交流伺服电动机。步进电动机的特点是：（1） 控制简单容易 步进电动机的转角或转速取决于脉冲数或脉冲频率，而不受电压波动和负载变化的影响。脉冲信号则容易借助数字技术，予以控制。（2） 体积小 步进电动机及其驱动器的结构简单，体积小，能装入仪器、仪表及小型设备的内部。（3） 价格低 步进电动机即使动力元件，又是角位移控制元件，不需要测量装置和反馈系统，故控制系统简单，价格低廉。但步进电动机的转矩和功率较小，角位移和角速度精度较低，步距角小时，难以或得搞转速。综上所述，步进电动机适用于中小型机电一体化设备和仪器、仪表中，可与传动装置组合，成为开环控制的伺服系统。直流伺服电动机的特点：伺服系统以往广泛选用直流伺服电动机，这是因为直流电动机的转速与电枢电压成正比；转矩与电枢电流成正比，因此转速和转矩的可控性能好。但直流电动机运行时电刷换向器的磨损造成维修工作量增加，影响电机转速的提高和电机的寿命，限制了电机电枢电压的提高和电流过载能力。直流电机不适宜在多粉尘，空气潮湿及易爆易燃环境下工作，也不适宜在极其频繁的启制动场合下使用。交流伺服电动机的特点：交流伺服电动机是无刷电动机，不需要电刷和换向片的保养和定期清扫；电刷和换向片还限制了直流伺服电动