六自由度机器人在骨科手术中的应用研究

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1、分类号:TP3910710-2013224016专业硕士学位论文六自由度机器人在骨科手术中的应用研究陈亮导师姓名职称郭兰英教授专业学位类别申请学位类别硕士计算机技术及领域名称论文提交日期2015年5月26日论文答辩日期2015年6月10日学位授予单位长安大学ApplicationofRobotwithSixDegreesofFreedominOrthopedicSurgeryAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ChenLiangSupervisor：Prof.GuolanyingChang’anUniversity,Xi’an,

2、China摘要随着计算机技术的快速发展，21世纪的医学也已进入了数字时代。数字骨科学是一门结合了传统的骨科学与计算机技术的交叉学科，与之相关的研究也是近年来数字医学研究的热点领域，骨科手术机器人便是其中之一。传统的骨科手术里，手术方案的形成主要是通过医生在大脑中模拟手术，实施手术时也需依靠医生的对手术方案的主观印象。由于骨科手术通常涉及非常复杂的几何结构变化，要在大脑中清晰的想象出术中骨骼形态的几何和拓扑结构的复杂变化也并非易事，这导致手术医生的临床经验和技能成为影响手术质量的关键因素。骨骼质地坚硬且较容易固定，可以看做是刚体。并且由于骨组织与周围组织区别较大，在CT、X线中的影像与

3、周围组织差别较大，易于进行各种数字化处理，在进行手术时容易配准。以上有利因素促使骨科手术机器人成为手术机器人研究中的热点之一，并取得的较大进展。针对骨科手术的实际需求，本文选择了UR10机械臂作为硬件平台，并基于此开发了骨科手术机器人控制系统。完成了下列四个方面的工作：基于VTK的骨科手术机器人三维交互系统；手术机器人的运行控制系统，包括点动控制，轨迹控制等功能；术前的三维模型导入，路径规划；术中的坐标配准，及实时刀具路径控制。最后通过一个模拟实例，演示了系统的主要功能。系统完成了设计需求，满足预期的要求。关键词：骨科手术，机器人，坐标配准，路径规划IAbstractWithther

4、apiddevelopmentofthecomputertechnology,medicineinthe21stcenturyhasenteredthedigitalage.Digitalorthopaediceisaninterdisciplineofthetraditionalosteologyandcomputertechnology,researchesrelatedtothedigitalorthopaedicearealsoahotfieldaboutdigitalmedicalresearchesinrecentyears,andtheorthopedicsurgica

5、lrobotisoneoftheresearches.Inthetraditionalorthopedicsurgery,asurgicalplanismainlyformedbysimulatingthesurgeryinthebrainbyadoctor,andtheimplementationofthesurgeryisalsodependedonthedoctor'ssubjectiveimpressiononthesurgicalplan.Asanorthopedicsurgeryisusuallyrelevanttoverycomplexgeometrystructure

6、changeanditisdifficulttoclearlyimaginecomplexchangesofgeometricandtopologicalstructuresofintra-operativeboneformsinthebrain,surgeons’clinicalexperienceandskillsbecomekeyfactorsinfluencingthesurgeryquality.Bonescanbeseenasrigidbodiesasbeingrigidandmoreeasytofix.Besides,asbonetissuesandthesurroun

7、dingtissuesthereofhavebigdifference,andimagesofthebonetissuesinCTandX-rayandthoseofthesurroundingtissuesinCTandX-rayhavebigdifference,variousdigitalprocessingcanbecarriedouteasily,andtheregistrationisfacilitatedduringthesurgery.By