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硕士论文 y5 7 1 8 9 8 神经外科手术机器人导航定向系统研究 摘要 本论文对一种用于神经外科立体定向手术的医用机器人手术导航定向系统的若 干问题展开研究。根据面向神经外科手术的要求，论文对整个系统的总体方案进行了 设计，对系统功能结构进行了说明，对系统实验平台m o t o m a nu p 6 机器人进行了运动 学分析，并面向应用开发了用于调试以及验证系统原理和方案的神经外科手术导航定 向控制软件，最后对系统的精度控制和误差补偿问题作了简要介绍。作者利用 m o t o m a nu p 6 机器人对全系统的实现进行了仿真实验，得到了令人满意的实验结果， 同时总结了全系统在神经外科手术中辅助导航定向的过程，得到的结论为课题的后续 研究工作铺平了道路。 关键词：神经外科，外科手术机器人，手术导航，立体定向，m o t o m a nu p 6 机器人 堡主堡苎 塑墅堑型量查墼墨量堕室塑墨堕堑塞 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sd e v o t e dt os e v e r a li s s u e so ns u r g i c a lr o b o to fs t e r e o t a c t i c n e u r o s u r g e r y b a s e du p o nt h er e q u i r e m e n to fs u r g i c a lo p e r a t i o n ，t h eg e n e r a l s t r u c t u r eo ft h es y s t e mi si l l u m i n a t e d k i n e m a t i c so ft h em o t 吼n nu p 6r o b o t a r ea n a l y z e d t h ec o n t r o ls t r u c t u r ea n dt h ec o n t r o ls o f t w a r ea r ei n t r o d u c e d t h ec o n t r o lm e t h o da d o p t e db ym o t o m a nu p 6i ss i m u l a t e d a d j u s t m e n tp r o c e d u r e o ft h eo p e r a t i o nc o n t r o li ss u m m a r i z e d i no r d e rt ou s ei ti np r a c t i c e ，s e v e r a l c o m p e n s a t i o nm e t h o d so fr o b o tp o s i t i o ne r r o r si sa n a l y z e ds i m p l y a c c o r d i n g t op r a t i c a ld e m a n d s ，t h ec o n t r o ls o f t w a r eo fs u r g i c a ln a v i g a t i o ns y e t e mo f r o b o t a s sis t e dn e u r o s u r g e r ya r ed e v e l o p e d k e y w o r d s ：m i n i m a l l yi n v a s i v ea n dr o b o t i cs u r g e r y ，s u r g i c a lr o b o t ，c o n t r o l s o f t w a r e ，e r r o r sc o m p e n s a t io n 2 硕士论文神经外科手术机器人导航定向系统研究 1 绪论 1 1 引言 随着机器人技术的发展及其应用范围的扩大，近些年来机器人技术在医疗服务领 域也得到了广泛的应用，包括被用来辅助或者代替人类医生进行医疗诊治与护理。 目前，医用机器人大致分为外科手术机器人、射线介入治疗机器人、无损伤诊断 与探测微型机器人、器官移植手术辅助机器人以及康复护理机器人等几种。其中，研 究与应用较多的是外科手术医用机器人，如神经外科手术辅助机器人。 在医疗外科机器人的研究中，机器人辅助立体定向神经外科手术是一个重要的研 究方向。本论文研究的神经外科手术机器人导航定向系统是当前国际机器人学术界的 研究热点之一，属于多学科交叉领域。对该系统涉及技术开展研究将在很大程度上改 变现有神经外科手术的过程和方式，也必将在外科手术的诸多领域引起深刻革命。 1 2 医疗手术机器人系统发展现状 1 2 1 综述 机器人技术在医疗外科领域的应用不仅在手术精确定位、手术最小损伤、手术质 量等方面带来一系列的技术变革，而且正在改变常规医疗外科的许多概念。开发与研 制新一代机器人化的手术医疗设备对临床医疗与护理、康复工程等方面都具有十分重 要的意义。 据统计，以医疗外科机器人系统研究为基础发展起来的医疗设备的产值在过去几 年内以每年1 0 的速度增长，几乎大于工业机器人的增长速度，估计以后会以更高的 速度增长”1 。各国政府不仅希望研究医疗外科机器人系统能为医治疾病带来方便，产 生良好的社会效益，而且更希望对医疗外科机器人系统的研究能产生一个新的经济增 长点，获取良好的经济效益。 1 2 2 国外发展状况 早在上世纪8 0 年代，世界上一些先进国家就十分重视计算机和机器人系统在辅 助外科手术方面的研究。比如，西方七国首脑凡尔塞会议将医用手术规划系统与医用 外科手术机器人技术列为振兴西方经济的1 8 个合作项目之一；美国国防部立项研究 遥操作外科手术机器人，将其用于战地模拟、手术培训和解剖教学等；法国国家科学 研究中心开展医疗外科仿真、规划和导航系统的研究；欧共体将机器人辅助外科手术 系统以及虚拟外科手术仿真系统列为重点研究开发项目，等等。 从以下两个实例我们可以了解一些国外医疗外科机器人系统的发展状况。 早在1 9 8 8 年，加拿大的y s k w o h 教授与其研究小组就率先采用p u m a 2 6 2 机器人 完成了对位5 2 岁老人实施的机器人辅助脑立体定位活检手术。手术过程中，医生 在通过c t 影像确定靶点( 即标志点) 的基础上，操作机器人将探针指向靶点，并在 确定最优切入路径后，控制机器人迅速准确地完成了活检手术。 硕士论文神经外科手术机器人导航定向系统研究 1 9 9 2 年，美国斯坦福大学医疗中心开发了基于图像引导的机器人辅助立体定向神 经外科手术系统。该系统能精确构造出病人头部的三维模型，并能通过病人头部的标 志点建立实际头部坐标系与模型坐标系的关系。手术过程中，医生可在计算机屏幕上 观察到病人头部的三维解剖信息，确定手术时机器人入路位姿，选择最佳手术切入路 径，最终成功摘除病人的脑肿瘤。虽然手术由人工进行，但从操作方式上讲该系统就 是一套以机器人为辅助设备的手术导航定向系统。 除了以上两个实例外，另有相关报道称，1 9 8 9 年，日本的i m a t r o n 公司生产了商 业化的脑外科立体定向手术机器人；1 9 9 7 年，德国科学家t c l u e t h 研究开发了基于 并联机器人机构的脑外科手术机器人系统。 此外，从近几年国际上的学术会议专题中也可以发现医疗手术机器人迅猛的发展 态势。1 9 9 5 年，在日本召开的i c r a 会议上虽然只有一篇关于医疗外科机器人系统的 研究论文，但2 0 0 0 年在日本召开的i e e e 的i r o s 2 0 0 0 会议上，关于医疗外科机器人 方面的研究就单独设立了r e h a b i t a t i o nr o b o t s 、m e d i c a la n dr e h a b i t a t i o n 、m e d i c a l r o b o t i c s 等几个专题。2 0 0 0 年，在美国召开的c a r s 2 0 0 0 会议中，神经外科已被单独 列为一个专题进行讨论。而且，医用机器人辅助外科手术系统己被著名学术期刊i e e e s p e c t r u m 预测为未来世界十大技术之一”。 虽然国际上医疗外科手术机器人的发展总体上呈现良好趋势，但就目前的研究以 及产业化等方面两言仍就存在一些问题。通过对国外众多相关产品的分析发现，在美 国、瑞典以及德国等发达国家己有神经外科手术导航系统的产品出现，但从临床应用 角度来说，由于这些系统存在价格昂贵、操作复杂、手术中所需辅助人员较多、维护 繁琐以及功能实用性欠佳等缺点，临床使用率并不高。 1 2 3 国内发展状况 近几年来医疗外科机器人在国内的发展速度也非常迅速，在个别分支领域的研 究工作甚至走在世界前列。国内著名的高校和研究所，比如清华大学、北京航空航天 大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学和南京理工大学，都对医疗手术机器人进行了 初步研究，并取得了一定的成果。 1 2 3 1 研究实例a 北京航空航天大学与海军总医院神经外科中心在1 9 9 6 年就开始了机器人辅助脑 外科手术的联合研究工作。两家单位于1 9 9 7 年5 月采用框架式脑立体定位原理以及 p u m a 2 6 0 通用机器人系统成功研制了c r a s b h i 型机器人脑外科手术系统及其配套设 备( 如图1 1 所示) ，并成功应用于临床，取得了在该领域研究工作的突破性进展。 随后，两家单位又于1 9 9 9 年4 月研制成功c r a s b h 2 型机器人辅助无框架立体定向手 术系统，并也成功应用于临床。 下面通过汇总相关参考文献。，对传统脑外科立体定向手术系统以及上述 硕士论文神经外科手术机器人导航定向系统研究 c r a s b h 2 型机器人辅助无框架立体定向手术系统作些介绍。 图1 1 立体定向手术模拟实验和机器人完成穿刺操作 传统脑外科立体定向手术是依靠立体定向仪来定位的，而立体定向仪岿须通过框 架用螺钉固定在病人的脑颅骨上，这给病人造成了较大创伤。另外，传统的立体定向 手术一般都只能根据病人的二维医用图像来确定病灶靶点及穿刺路径，这样便造成手 术质量在很大程度上取决于医生经验的现象。 上述c r a s b h 2 型机器人辅助无框架立体定向手术系统可以有效地避免传统脑外 科立体定向手术的缺陷。该系统的关键技术是利用病人头部的m a r k 点( 即标记点) ， 将影像学资料( c t m r i ) 进行三维重建后的图像空间( 即虚拟空间) 与机器人的操作 空间( 即现实空间) 进行映射，这样就可以由医生在计算机上显示的图像空间里规划 手术方案，机器人则在操作空间依据图像空间的规划完成相应动作。该系统将计算机 技术与机器人技术相结合，实现了无框架定位，同时利用三维重构技术辅助医生确定 病灶靶点及手术路径，减少了手术创伤，提高了手术精度。该系统于1 9 9 9 年4 月在 北京海军总医院成功进行了首例临床应用，并一直应用至今，取得了良好的手术效果， 手术成功率达1 0 0 。 但是，该系统仍然存在以下问题： 1 ) 由于该系统是一个无动力系统，所以操作起来不够灵活，在利用计算机图像 引导系统进行空间定位时，需要操作者把持机械臂进行移动，以使机械臂实 际位置与规划位置对准； 2 ) 在对准过程中，为了有针对性地转动机械臂各关节，要求医生具有一定的三 维空间概念，对机器人运动规律具有一定的了解，这对医生提出了较高要求： 3 ) 由于对准过程比较繁杂，需要较长时间，所以会对医生产生较大的体力消耗， 同时给病人也带来了一定的压力，而这些在手术过程中是应该避免的； 4 ) 在对准过程中，主要依靠人眼观察计算机屏幕上的两条不同颜色的直线是否 对齐来实现对机械臂的定位，这将导致难以取得满意的定位精度； 5 ) 由于系统机械臂是无动力系统，所以在离线编程和远程控制等方面存在很大 的局限性。 硕士论文神经外科手术机器人导航定向系统研究 本论文研究的脑外科手术机器人导航定向系统是动力系统，在一定程度上缓解了 上述问题。 1 2 3 2 研究实例b 在脑神经外科影像处理、框架式神经外科手术定位及手术导航方面，南京麦迪柯 有限公司在国内首屈一指。该公司产品的使用效果和市场开拓情况在国内同行业中名 列前茅，下面就其发展情况作一简单介绍。 南京麦迪柯有限公司的主要业务是框架式脑立体定向仪产品的开发和销售，是一 家专业从事微侵袭外科手术医疗设备研发、生产和销售的高科技公司，是目前国内市 场上专业化程度最高的微侵袭外科手术专用产品供应商之一。该公司已拥有具有自主 知识产权的m d 一2 0 0 0 系列脑立体定向导航手术系统，其中m d 一2 0 0 0 a 型脑立体定向计 算机辅助微侵袭神经外科手术系统，可与c t 、m r i 、d s a 等影像设备配接，完成微侵 袭条件下的脑神经外科手术。该公司与东南大学医学影像实验室合作开发了导航系统 软件，并将其应用于框架式脑立体定向导航系统中，而且在有头膜覆盖模型方面的研 究也处于国内领先水平。该公司还与南京市脑科医院建立了密切的合作伙伴关系，使 产品的研发具备了一个良好的临床使用和实验基地。 多年来，该公司始终将实用化程度高、具有广阔市场前景的产品作为主攻方向。 并在空间三维定向定位技术、无框架空间定位技术、空间标记点注册技术、医学影像 精确分析计算技术、数字图像传输技术、数字图像兼容技术、机电体化技术以及导 航技术等诸多方面取得了长足进步，而且在科技成果产业化方面也取得了不小成绩， 其产品框架式神经外科立体定位仪( 即框架式定向手术导航系统) 和神经外科计算机 辅助导航手术系统已占据了一定的国内市场。该公司还在智能化医用手术机器人的研 发上投入了大星科研经费，并正与南京理工大学机器人研究所合作开发无框架式的用 于神经外科手术立体定向的智能医用机器人手术系统。 1 3 课题背景、发展前景及意义 1 3 1 课题背景 自上个世纪9 0 年代以来，神经外科领域中迅速发展起来一个新的学科，那就是 以现代科技为催化剂的微侵袭神经外科学，它是以神经影像学、立体定向技术、微导 管技术、光学设备系统、激光技术、超声技术、放射医学和计算机科学等高精尖技术 为基础形成的，其显著特点就是以最小的创伤治疗神经外科疾病，达到既安全地治愈 疾病，又最大限度地保全神经功能的目的。 本论文课题神经外科手术机器人导航定向系统就是在这样一个大气候下开始立 项研究的。该系统能够将患者的c t 、m r i 等影像资料及x 射线血管造影资料与外科手 术直接整合，达到在医学影像资料的引导下进行无框架立体定向手术的目的，实现使 手术定位准确，最大程度地减少对患者脑功能区及主要血管的损伤，极大方便地医生 硕士论文神经外科手术机器人导航定向系统研究 的手术操作，确保患者的安全，缩短患者的术后康复期，提高治疗效果，最终为神经 外科疾病患者带来福音。 1 3 2 课题市场前景 近年来，虽然国内外对无框架神经外科立体定向导航系统都有研究，但目前的手 术导航系统因操作复杂和手术中消耗辅助时间过长以及造价昂贵，均未形成一个可自 主灵活使用的完善系统，更谈不上形成成熟的产品。 本课题脑神经外科手术机器人导航定向系统融合机器人技术、计算机技术、医用 影像诊断技术、现代信息处理技术于一体，充分发挥机器人在三维空间中运动自如、 定位精确、运动可靠快速和操作性强的特点，构成一个高科技微创外科手术平台。其 克服了老式和目前框架式脑立体定位仪以及神经外科手术导航辅助系统存在的缺点 以及给病人带来的痛苦，采用标志点定位技术，快速准确地实现了脑立体定位，同时 充分运用机器人操作灵活和运动定位精度高的优点，利用机器人操作臂实现人工手术 操作难以实现的微运动和微操作。将来实现远程外科手术后，医生可在控制室内通过 视频监视和遥控操作控制手术室内的机器人系统进行手术作业，并获得全程指导。总 之。整个机器人手术系统体现了智能化、微创化的概念，也体现了现代神经外科手术 发展的方向和潮流。 随着人民生活水平的提高，人们对生命质量提出了更高要求，从而形成了一个为 此提供服务及相关产品的市场，特别是对在生命科学中属于“禁区”的脑部、心脏等 器官实旄微创手术需求的增加更进一步推动了医疗手术机器人系统市场的发展。本课 题的研究成果属高附加值和高新技术产品，具有良好的市场前景，通过拓延设计，可 成为多用途的医用机器人。 1 3 3 课题研究意义 本课题的主要创新之处在于： 1 ) 无框架式的基于标志点注册的导航定向系统； 2 ) 基于机器人作业规划控制的新型手术导航定向系统； 3 ) 基于标志点注册系统的智能化操作机。 对本课题的研究将给我国科技和经济乃至社会的发展带来积极影响，对其进一步 完善、提升和拓展，使其成为适用于心胸外科、腹部外科、肝胆外科、脊柱外科、整 形外科以及骨科手术的多用途微侵袭外科现代化手术平台和真正的“智能化医用机器 人手术系统”后，也将为我国微创外科的发展和调整产业结构带来积极影响，对我国 医疗卫生事业的进步起到推动作用，给全社会带来福音。 1 4 课题关键技术问题 本课题预期研究成果涉及的关键技术问题如下： 1 ) c t m r i 影像的计算机图像处理和有皮膜覆盖的头部三维图像的生成，其中包 硕士论文神经外科手术机器人导航定向系统研究 括脑组织三维图像的生成和病灶靶点的识别与提取，相应计算机软件的开发 与研究将是本课题的重要组成部分： 2 ) 实现对有皮膜覆盖的脑部结构进行三维动画虚拟手术，即实现手术导航定向 以及操作全过程的动态仿真； 3 ) 基于标志点注册的神经外科立体定向技术和手术辅助机器人定向导航系统的 开发与应用； 4 ) 面向智能医用机器人手术系统应用的神经外科手术导航定向软件的开发以及 医用机器人操作控制技术： 5 ) 计算机在线注册与标定以及自动生成控制作业程序： 6 ) 课题后期需要研究的手术操作机设计技术、手术作业平台设计技术以及专用 手术器械附件设计技术； 7 ) 全系统的安全性、可靠性及精确性保证技术。 1 5 课题研究内容 本课题所属领域属于智能化装备技术领域，研究的目的就是充分运用 c t m r i d s a e c t 等影像分析技术、计算机图形图像处理技术、机器人技术、立体定 向技术以及导航技术等多种高新技术，为新型微侵袭神经外科( 特别是脑神经外科) 手术提供一种安全、可靠、高效、精确的现代化外科手术操作平台。利用这个平台使 诸如脑溢血、脑肿瘤、帕金森氏病等脑科疾病患者得到及时、有效的手术治疗，并减 少手术风险和病人痛苦，提高手术质量和治愈率。 本课题的核心是构建( 脑) 神经外科手术所特需的无框架的满足标志点识别定位 目的的智能医用机器人系统，前期研究工作重点放在系统专用应用软件的开发以及整 个系统方案与原理的验证上。 从系统功能及其组成角度划分，本课题的研究内容应包括： 1 )( 脑) 影像数字化三维图像重构系统构建 研究内容包括：熟悉脑影像诊断学，研究病灶靶点特征和脑神经血管等脑组织影 像特征；c t m r i 图像数据预处理；背景噪音消除和象素点灰度值归一化处理以及图 像边界提取：基于标志点的三维图像构建与表达和手术路径规划以及虚拟手术表现与 数据存取及传输。关键技术涉及对c t m r i 等各种图像的归一化处理和图像中关键组 织与靶点位置及大小的精确性研究。 2 ) 基于脑部体表标志点识别的脑外科手术立体定向系统研究 研究内容包括：定位精度高、标识清晰、反应灵敏的既可用作c t m r i 影像处理 空间位置的识别标记又可作为脑部实体在机器人手术作业空间定位标识的标志点系 统研究；无损伤标志点在头部体表放置技术和方法研究；手术台与患者头部可靠定位 技术与方法研究。这是无框架脑外科手术立体定向系统的关键技术及创新点之。 硕士论文神经外科手术机器人导航定向系统研究 3 ) 机器人手术作业运动规划系统研制与编程 研究内容包括要求所开发软件直观地完成多自由度机器人不同坐标系的转换及 机器人的运动规划，具备良好的通用性与实用性。 4 ) 智能机器人手术系统操作机及控制系统研制 研究内容包括要求完成手术操作机主要技术参数、主要结构形式和主要机械构件 的设计、加工及装配调试。 5 ) 机器人手术作业平台包括专用手术器械的研制 研究内容包括在借鉴现有框架式脑神经外科手术立体定向仪和现有神经外科手 术导航系统相应手术器材的基础上，研制新型的手术器械及作业平台。 从以上划分来看，整个课题需要研究的内容以及工作量非常庞大，相应的基础性 研究显得至关重要，它直接影响后续研究的进展和整个课题的成败，所以课题的前期 研究工作尤为关键。 本论文就是在课题前期研究工作基础上完成的，整理和汇总了本课题的基础性研 究成果，其具体研究内容为：面向脑外科手术应用，以现有m o t o m a nu p 6 型机器人为 实验平台，完成对基于脑部体表标志点识别的脑神经外科手术立体定向系统和机器人 定向导航系统控制软件的开发与应用，重点放在验证全系统的原理和方案。 本论文达到的研究成果包括完成( 脑) 神经外科手术导航定向系统主控软件的前 期开发和机器人手术作业运动规划系统的初步研制，实现对m a r k 点( 即标志点) 的 在线注册与标定。 1 6 论文结构安排 论文内容共分6 章进行阐述： 第一章：绪论。本章综述了论文的课题来源、背景和研究意义，介绍了课题预期 完成的研究工作和本论文的具体研究内容及作者在完成论文期间所作实际工作。 第二章：神经外科手术机器人导航定向系统总体方案设计。本章从神经外科手术 的要求出发，阐述了智能医用神经外科手术机器人导航定向系统的总体设计方案，并 对课题的实验平台m o t o l d a nu p 6 型机器人的性能和二次开发能力进行了介绍。 第三章：神经外科手术机器人导航定向系统运动学分析。本章介绍了通用工业机 器人运动学的数学基础，对课题实验平台m o t o m a nu p 6 型机器人进行了运动学分析， 为神经外科手术立体定向导航系统的调试和控制软件的开发提供了理论依据。 第四章：神经外科手术机器人导航定向系统控制软件设计。本章以m o t o m a nu p 6 型机器人为模拟手术操作机，提出了针对神经外科医疗手术导航定向系统控制软件的 设计思想，在此基础上根据实际需要阐述了整个系统在软件上要实现的功能，详细介 绍了上位机软件的设计过程和各功能模块，完成了对神经外科手术导航定向系统控制 软件的阶段性开发和对全系统操作与控制的原理验证。本章是作者论文期间的主要工 硕士论文神经外科手术机器人导航定向系统研究 作。 第五章：神经外科手术机器人导航定向系统误差分析。本章从通用机器人精度模 型出发，对实验对象m o t o m a nu p 6 型机器入的精度控制和误差分析与补偿等问题进行 了简要阐述和说明。 第六章：结论。本章对论文内容和课题神经外科手术机器人导航定向系统的前期 研究工作进行了总结，并阐述了系统后续需要继续开展的研究工作。 硕士论文 神经外科手术机器人导航定向系统研究 2 神经外科手术机器人导航定向系统总体方案设计 2 1 引言 脑组织是人体内有别于其它生理组织结构的特殊器官，一旦损伤目前科技手段尚 不能使其再生，因此脑神经外科手术是外科领域乃至整个医学领域中难度最大、要求 最高的“高新技术区”。显微神经外科的发展，尤其是c t m r i 影像诊断技术的发展， 奠定了微侵袭( 即微创伤) 神经外科发展的基础，使得微侵袭脑神经外科在近二十年 里得到了迅速发展。微侵袭神经外科手术给患者带来的极好的治疗效果，反过来进一 步确立了这种手术在医疗领域中的地位和作用，同时推动了市场发展。 由于框架式脑立体定向仪需要在手术前对患者头部皮肤进行局部麻醉，并将框架 固定在患者颅骨上( 见图2 1 ) ，给患者造成较大的生理和心理痛苦，同时框架及其 它附件在c t 和m r i 影像中的伪影会降低图像的质量，而且框架及附件的固定占用空 间也常常影响手术的视野及操作( 见图2 2 ) 。这些弊端与微侵袭神经外科手术所要 求的精确化、可靠安全和简易操作等产生的矛盾使得无框架导航手术系统进入临床的 呼声更加迫切，进而促进了智能化的医用机器人外科手术导航定向系统的产生。 图2 ic t 扫描框架 图2 2 手术定位导航框架 2 2 关键问题 脑立体定向仪是一种根据利用c t m r i 等影像技术获得的脑组织和病灶点( 即手 术靶点) 的图像信息在患者头部进行实际定位的医疗设备，其功能就是完成影像与实 体精确定位的坐标关系表述。无框架定向导航手术系统在影像和脑实体坐标关系定向 技术方面与有框架定向导航手术系统的实质是相同的。但无框架系统利用在患者头部 放置的“标志点系统”替代“框架标识系统”，并运用机器人精确的空间定位与识别 硕士论文神经外科手术机器入导航定向系统研究 能力，实现神经外科手术准确定位的目的。 课题( 脑) 神经外科手术机器人导航定向系统的功能就是在上述脑外科手术立体 定向系统标定手术靶点的基础上( 见图2 3 ) ，利用计算机图形图像处理技术将c t m r i 等影像数字化。建立头部脑组织的三维图像和病灶靶点图像，在计算机上实现“虚拟 手术”，并确定出对生理组织损伤最小、手术最方便的最优手术路径。 图2 3 基于标记点的c t 扫描 2 3 系统功能与组成结构 智能型微侵袭脑神经外科手术机器人导航定向系统的工作过程为以基于c t 层面 扫描图像或核磁共振( m r i ) 图像建立的三维模型为参考，对脑神经外科手术进行规 划与虚拟操作，最终由机器人进行辅助导航定向，甚至手术操作，手术全过程如图 2 4 所示。 图2 4 无框架立体定向脑外科手术图示 在这其中，手术规划是以计算机图形图像学为基础，以c t 、m r i 及血管造影等影 像技术为主要手段获取所需医疗图像，进而进行图像处理和三维模型重建，在手术前 利用患者病灶点及周围组织的三维图像信息，构造出虚拟手术对象( 即患者脑组织的 硕士论文 神经外科手术机器人导航定向系统研究 三维立体模型) ，再通过模拟仿真技术，使医生可以反复对病人进行虚拟手术，最终 确定最佳手术方案。而辅助手术操作则是在完成仿真操作后，将规划出的手术方案的 技术参数传达给机器人，并将规划参数变换到机器人操作空间，控制机器人按照预定 手术方案完成指定的导航操作。 按照上述功能，智能医用机器人手术导航定向系统的组成结构可由图2 5 表示。 | | | l 蒌h 鋈 霎f 垂 控制计算机 手术器械| 传感器 机器人本体l 传感器控制器 机器人控制器 通信系统 在线 监视 计算 机 图2 5 系统硬件组成结构 采用计算机和机器人系统进行立体定向外科手术，可以使得整个系统根据患者病 灶点及周围组织的三维图像信息和规划出的最佳手术方案在手术进行前自动计算出 开颅位置和方向，并精确计算探针导管的插入深度，再利用机器人精确的定位能力， 形成一个能对患者脑部病灶点进行活检、放疗和切除等手术的可靠的操作平台。 神经外科智能医用机器人手术导航定向系统的组成主要分为以下五部分： 1 ) 影像数字化及三维图像重构系统 将c t 和m r i 扫描后的一系列脑影像，进行数字化处理，重新构造出由带皮膜覆 盖的头颅外表、脑组织结构和病灶靶点组成的三维图像模型，供医生在计算机上进行 规划和仿真，达到优化手术参数、确定手术方案的目的，并整理该手术方案的各项技 术参数，为得到机器人手术作业的任务参数作准备。 2 ) 基于头部体表标志点识别的脑立体定向系统 利用c t 和m r i 技术识别和提取头部坐标系定标所需的体表标志点，并进行患者 脑实体坐标系相对于机器人手术作业空间坐标系的转换和病灶靶点及其组织构成的 图像及参数的转化与确认。 3 ) 机器人手术作业运动规划分析系统 该系统的任务是完成患者头部坐标系、手术台坐标系、机器人坐标系、机器人末 端空间坐标系以及描述手术器械位置( 墨y ，z ) 和姿态 ，卢，y ) 的工具坐标系之间的转 换与映射，并计算和描述出手术规划所需的手术器械位姿参数，为机器人手术作业的 运动控制作准备。 硕士论文神经抖科手术机器人导航定向系统研究 4 ) 手术辅助定位医用机器人 作为智能医用机器人手术导航定向系统的执行机构，机器人是整个系统中非常重 要的组成部分。在课题研究过程中，特别是在系统原理验证和方案确认方面，我们用 m o t o m a nu p 6 工业机器人作为实验平台开展工作。该机器人是一台6 自由度的关节式 空间作业机器人，可在三维的作业空间中进行大范围的高速或低速调度性运动，也可 在作业空间内进行精确的微运动，以实现手术规划所设定的手术器械的空间运动和要 求到达的位置与姿态。 5 ) 机器人神经外科手术作业专用手术器械 为充分发挥智能医用机器人手术导航定向系统的功能，并为将来拓宽其在微侵袭 外科手术中的用途，全系统的研究要求系统研发人员与医护人员密切合作，共同研发 机器人进行手术作业时所夹持的专用手术器械。 2 4 课题研究指导思想和技术路线 2 4 1 指导思想 课题的指导思想主要有以下三点： 1 ) 充分利用国内现有技术成果，特别是项目承担单位的具有自主知识产权的技 术成果； 2 ) 充分利用国内现有的成熟度高的底层产品和部件作为项目研制基础，减轻课 题基础件的研究工作量，重点抓好系统总体集成和综合技术，重点突破关键 技术，高效高质地完成研制任务： 3 ) 在研制过程中不断完善系统技术，不断提高系统软硬件自给率，不断改进系 统功能，特别注意提高经济效益。 2 4 2 技术方案和路线 按照上述指导思想，针对项目研制内容和关键技术制定系统方案如下： 1 ) 鉴于智能医用机器人本体机械系统和控制伺服系统是课题研究中工作量最 大、研制周期最长的部分，而国内通用工业机器人基本上可以满足使用要求， 故采用选型、采购和适应性改进的研制办法，从根本上保证在短期时间内达 到预期效果，而专用机器人本体的设计与制造在对前期成果进行临床应用实 验后再实施。 2 ) 课题需注意以下四个重点技术： a ) 基于标志点标定的无框架脑外科手术立体定向技术，包括在图像分析和三 维重构基础上解决国内没有的有体膜覆盖的头部三维模型的构建： b ) 图像数据流在系统中的资源共享、信息存贮和传输技术； c ) 通用标志点标定系统研制技术； d ) 微侵袭手术通用平台与专用器械设计技术。 硕士论文神经外科手术机器人导航定向系统研究 3 ) 自始至终关注系统总体技术和安全性可靠性技术，确保课题研究成果的实用 性和有效性，并在全过程抓好成果转化和产业化工作。 2 5 系统实验平台瑚0 t o m nu p 6 机器人 智能医用机器人手术导航定向系统中用于实施定向、定位和导航的主体是手术辅 助医用机器人，正是这关键设备使有框架的定向转变为无框架的实时定向，并将计 算机上的三维虚拟手术转变成实际的手术导航定向操作，其核心任务是完成图像空 间、患者实体空间、机器人手术器械作业空间之间的坐标转换、确认和表述。 由于上述工作涉及技术已是机器人应用领域里非常通用和成熟的技术，整个机器 人本体及其伺服控制系统也有相应的产品和配套软件可供选择，所以在课题研究初期 采用现有m o t o m a nu p 6 型机器人作为实验平台对全系统进行了原理验证和方案确认应 该是比较明智的选择。 在实际研究过程中，结果表明以m o t o m a nu p 6 型机器人作为实验平台开展智能医 用机器人手术导航定向系统的前期开发能够取得预期的效果，能够完成对全系统的原 理验证和方案确认，并对整个课题的进一步研究和日后开展更加实质性的工作打下良 好的基础。 2 5 1m o t o m a nu p 6 机器人系统构成及软件组成 m o t o m a n 系列u p 6 机器人由日本y a s k a w a 公司研制生产，属于6 r ( 旋转轴) 机器 入。一套完整的m o t o m a n 系列机器人系统由变压器、控制柜、示教盒和机器人本体组 成，主要的配套软件有离线编程软件r o t s y ( r o b o to f f l i n et e a c h i n gs y s t e mo f y a s k a w a ) 和数据通信与运动控制软件m o t o c o m 3 2 。 r o t s y 软件的主要功能是完成作业编程的动画仿真。由于其不能生成作业文件并 传送到机器人控制柜，所以从严格意义上讲该软件并不是一个真正的离线编程软件。 此外，该软件没有机器人运动学正解和反解计算功能，也就是说既无法通过给定6 个关节角度计算末端执行器的位姿，也无法通过末端执行器的位姿来反解各个关节角 度，而且使用r o t s y 软件进行动画演示时，要求用户输入各个关节的脉冲数。 m o t o c o m 3 2 由高速工作转换、自动工作转换和主控制三部分组成，但这三部分之 间是独立分开的。其中，高速工作转换部分用于在机器人控制柜和计算机之间传送程 序；自动工作转换部分用于连续执行一组程序；主控制部分用于监视和控制机器人工 作状态。另外，该软件中包含了众多的与机器人操作有关的库函数，正是利用这些库 函数才使用户的面向应用的二次开发工作成为可能。 2 5 2m o t o m a nu p 8 机器人操作说明 m o t o m a nu p 6 机器人是典型的6 自由度工业机器人，也是当前应用较普及的一类 工业机器人，其主要有以下两种操作方式： 1 ) 通过示教盒对其进行在线示教编程操作 硕士论文神经外科手术机器人导航定向系统研究 用示教盒进行编程的效率较低，当任务复杂时，用示教盒编程必须使整个现 场停止工作。 2 ) 通过m o t o c o m 3 2 对其进行离线编程操作 m o t o c o m 3 2 用于传送j b r 格式的作业文件并控制机器人工作状态，但 m o t 0 c o m 3 2 的使用需要通过示教盒传送可识别的j b r 文件。 2 6m o t o m a n 系列机器人系统二次开发 m o t o m a n 系列机器人系统随产品配有二次开发软件m o t o c o m 3 2 。该软件是由日本 y a s k a w a 公司提供的用于在计算机与y a s k a w a 工业机器人控制器y a s n a cx r c 、m r c 、 m r ci i 、e r c 和e r c i i 之间实现数据通讯的专用软件。通过在机器人控制器y a s n a c 和 计算机之间连接r c 2 3 2 c 串口通讯线，或者利用局域网线连接二者，即可实现计算机 与控制器之间的高速数据传输。 该软件在计算机上的操作有以下几个功能： 1 ) 高速作业转换功能 根据计算机指令装载或存储作业文件和环境数据。 2 ) 主控制功能 根据计算机指令轻松完成下述任务： 读取机器人状态，包括当前位置、报警、出错、伺服状态等 控制系统，包括启动、暂停、作业调用等 读取和写入i o 信号 3 ) 自动任务作业替换功能 利用d c i ( d a t ac o m m u n i c a t i o nb yi n s t r u c t i o n ) 传输功能自动替换任务作 业，即为了弥补机器人存储能力有限的不足，利用计算机作为外部存储器，从机 器人接收任务号后返回相应作业程序。 4 ) 传输应用功能 为了实现用户能在机器人和计算机之间开发传输应用程序，该软件提供以下 信息： 提供机器人和计算机之间的数据传输功能，即m o t o c o m 3 2 d l l 利用包括上述功能的程序示例描述应用程序准备流程 2 7 本章小结 本章对神经外科手术机器人导航定向系统的总体方案设计进行了介绍，说明了其 中的关键问题，详细阐述了系统功能和组成结构，并对课题的研究与试验方法和技术 路线作了阐述，最后对课题实验平台m o t o m a nu p 6 型机器人的性能和功能，特别是与 课题研究工作密切相关的二次开发功能作了详细说明。 硕士论文神经外科手术机器人导航定向系统研究 3 神经外科手术机器人导航定向系统运动学分析 3 1 引言 机器人运动学研究的是操作臂连杆运动的几何关系。机器人操作臂可以看成是一 个开式运动链，它由一系列连杆通过转动或移动关节串联而成。开链的一端固定在基 座上，另一端自由，并安装有工具( 即末端执行器) 用以完成各种作业操作。 关节的相对运动导致连杆的运动，以使手爪达到所需的位姿。在神经外科手术的 立体定向过程中，我们关心的是末端执行器相对于固定参考系( 即机器人工作空间) 的空间描述。 3 2 定向方法 为了研究操作臂各连杆之间的位移关系，可在每个连杆上固定一个坐标系，然后 描述这些坐标系之间的关系。通用的方法是用齐次变换来描述各个连杆相对于固定参 考系的空间几何关系，即用一个4 4 的齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系， 从而导出手爪坐标系相对于参考坐标系的等价齐次变换矩阵，并建立机器人的运动学 方程，包括正解方程和反解方程。 利用h e n a v i t h a r t e n b e r g 提出的求解机器人运动学方程正解的通用方法和p a u l 等人提出的求解机器人运动学方程反解的反变换法，可以设计出运动学正解与反解的 计算程序，使用户只需输入各个关节角度和机器人结构参数，程序就能计算出末端执 行器的位姿矩阵，或者输入末端执行器的位姿矩阵就可计算出各个关节的角度值，同 时结合m o t o m a n 机器人系统的r o t s y 仿真软件，进行逼真的三维动画仿真，并通过离 线编程的方式对机器人进行远程现场控制。 在标志点注册过程中，操作机器人对患者头部的标志点( 即m a r k ) 进行注册，并 进行实时记录比对，提取或保留满足精度要求的标志点数据，为后续的三维动画仿真 以及最优手术路径的计算和拟合做数据准备。 3 3 机器人运动学数学基础 3 3 1 刚体位姿描述 刚体参考点的位置和姿态统称为刚体位姿，在众多描述方法中使用最多的是齐次 变换法，其优点在于联系矩阵运算完成运动、变换和映射的数学处理，在研究机器人 运动学、动力学以及控制算法等方面得到了广泛应用。 3 。3 1 1 位置描述( 位置矢量) 对于直角坐标系f a ，空间任一点p 的位置可用一个3 1 的列矢量( 即位置矢量) 4 p 表示： l3 ( 1lj 以以以 p。l = p 硕士论文神经外科手术机器人导航定向系统研究 其中，p x ，p y ，p ：为点p 在坐标系 a ) 中的三个坐标分量，。p 的上标a 代表参考坐标系 a ) 。 3 3 1 2 方位描述( 旋转矩阵) 为了规定空间某刚体b 的方位，另设一直角坐标系 b ) 与此刚体固接。用坐标系 b l 的三个单位主矢量，儿，相对于坐标系 a ) 的方向余弦组成的3 x3 矩阵 缸= 。妇，。y 。，。z d 或 来表示刚体b 相对于坐标系 a 的方位。：r 称为旋转矩阵，上标a 代表参考坐标系 a ， 下标b 代表描述的坐标系 b ) 。：r 有9 个元素，其中只有3 个是独立的。因为：r 的3 个列矢量。，。，“都是单位主矢量，且两两相互垂直，所以它的9 个元素满足以 下6 个约束条件( 即正交条件) ： 。一b = 。y b * a y 8 = 。z b t a = l 。x b y 8 一y z b z b a x 8 = 0 因此，旋转矩阵；r 是正交的，并且满足条件 ：r = ：r r 且l 矧= 1 口一口1 1 日“l 一1 其中，上标t 表示转置，卜 是行列式符号。 绕x 轴、y 轴和z 轴旋转0 角的旋转矩阵分别为 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 00 c o s 0 s i n o l s i n oc o s 0l ( 3 6 ) c o s l 9 o s i 们1 r o t ( y ，= f 01 0 l s i n o 0 c o s o j ( 3 7 ) 加，=i：ose-sinorot(sinocos0郭00 0 慨。， 五口) ：l l j ( 3 8 ) 23 ( 、亿嘞 吃吒 ，。 f 冠 8 l 0 0 。l | i ) 口x ( fdr 硕士论文 神经外科手术机器人导航定向系统研究 3 3 2 齐次坐标变换 空间中任意点p 在不同坐标系中的描述是不同的，从一 个坐标系的描述到另一坐标系的描述之间的关系如图3 1 所示。任一点p 在两坐标系 a 和 b 中的描述4 p 和8 p 具有 以下变换关系： 。p = ：r 。p p 品 把。m 称为f b 相对于 a ) 的平移矢量。但此关系式对于点 8 p 而言是非齐次的，可以将其表示成等价的齐次变换形式： 阡 ：r4 如 00o1 z a 图3 1 不同举标系映射 阳 慨 其中，4xi 列向量表示兰维空间的点，称为点的齐次坐标，仍然记为4 p 或5 p 。上 式可以写成矩阵形式： 。p = ；t b p ( 3 1 0 ) 式中，齐次坐标。p 和8 p 是4 x1 列向量。齐次变换矩阵：r 是4x4 方阵，具有以下 形式： o0 01 ( 3 1 1 ) 3 4 帅t o m a nu p 6 机器人运动学分析 机器人运动学分析包括运动学正解和运动学反解两部分，研究的是操作臂各连杆 间的位移关系、速度关系及加速度关系，本论文只讨论位移关系。 为了研究操作臂各连杆之间的位移关系，可在各连杆上固接一个坐标系，然后描 述这些坐标系之间的关系。d e n a v i t 和h a r t e n b e r g 提出一种通用方法，用一个4 x4 齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系，从而推导出手爪坐标系相对于参考坐标系 的等价齐次变换矩阵。 3 4 1 机器人连杆参数 连杆的功能在于保持其两端的关节轴线具有固定的几何关系，连杆的特征也由这 两条关节轴线所决定。 连杆i 一1 是由关节轴线卜l 和关节轴线i 的公法线长度d 。以及两轴线之间的夹 角一，所决定的，q 一称为连杆i - i 的长度，q i 称为连杆i l 的扭角。扭角q l 的指向