神经外科医生论文提纲

论文题目：操作型神经外科手术机器人空间配准技术研究

摘要：神经外科开颅手术是救治急重颅脑创伤患者的必要手段,也是治疗脑肿瘤、脑出血、癫痫等疾病的有效手段。据统计,仅北京天坛医院的年手术量可达约1.2万台/年。然而,颅脑区域涉及大量中枢神经、静脉窦等重要生理组织,传统的开颅手术存在重要组织损伤风险高、医生操作强度大、严重依赖医生经验和技能等临床问题,基层医院因医生水平差异及医疗条件的限制,无法实施开颅手术,患者往往难以得到及时有效的治疗。因此,研究面向神经外科的手术机器人具有重要的现实意义和临床价值。本文以开颅手术机器人化为出发点,围绕开颅手术取骨瓣的操作,搭建具备颅骨钻铣操作的手术机器人实验平台,研究了空间配准技术、机器人运动学分析及轨迹规划、手术机械目标检测等基础技术,主要的工作内容如下:第一,以传统开颅手术为参考,结合医生操作经验,搭建了操作型神经外科手术机器人实验平台,并详细介绍了应用该机器人实施神经外科手术的手术室布局及相应的手术流程。第二,针对神经外科手术机器人定位高精确性及高稳定性的设计要求,提出了一种结合SAC-IA和ICP的空间配准方法,基于FPFH特征的SAC-IA算法实现初始配准,其次利用ICP算法完成精确配准。通过VS和PCL数据库完成了仿真实验,结果证明所提方法的有效性和可行性。第三,针对手术机器人所需的术区规划功能,以JAKA ZU 7机器人为例,基于D-H法建立手术机器人正运动学模型,利用MATLAB工具箱进行仿真实验验证,实验结果证明所推导的正运动学模型是正确的。基于五次多项式插值算法实现关节空间内的轨迹规划,并进行仿真实验验证。最后,针对手术器械位置信息感知方式单一的问题,为强化医生对手术机器人末端手术器械实时操作状态的感知,基于SSD算法实现了手术器械的目标检测与定位,为构成医生端的多源信息反馈通道奠定一定基础,并利用医生操纵达芬奇手术机器人训练的数据集验证了该方法的可行性。

关键词：手术机器人;空间配准;运动学建模;深度学习;目标检测

学科专业：机械工程（专业学位）

摘要

abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 神经外科手术机器人研究现状

1.2.1 “定位型”国内外研究现状

1.2.2 “操作型”国内外研究现状

1.3 手术注册及空间配准技术研究现状

1.4 本文主要研究内容及章节安排

第二章 神经外科手术机器人系统组成

2.1 引言

2.2 设计要求

2.3 手术机器人手术流程及布局

2.3.1 手术室布局

2.3.2 手术流程

2.4 神经外科手术机器人系统组成

2.4.1 手术机械臂

2.4.2 光学定位系统

2.4.3 通用末端夹具及手术器械

2.4.4 六维力传感器及数据采集系统

2.5 小结

第三章 神经外科手术机器人空间配准方法研究

3.1 引言

3.2 手术空间配准方法确定

3.3 初始配准算法

3.3.1 SAC-IA算法

3.3.2 正太分布变换算法

3.3.3 仿真实验

3.4 迭代最近点算法

3.4.1 奇异值分解法

3.4.2 四元数法

3.5 基于SAC-IA和 ICP的空间点云配准方法

3.5.1 具体流程

3.5.2 仿真实验

3.5.3 坐标变换

3.6 小结

第四章 运动学分析及轨迹规划

4.1 引言

4.2 正运动学分析

4.2.1 机器人坐标系建立

4.2.2 正运动学分析

4.2.3 实验验证

4.3 关节空间轨迹规划

4.3.1 五次多项式插值算法

4.3.2 仿真实验

4.4 小结

第五章 基于深度学习的手术器械目标检测

5.1 引言

5.2 基于深度学习的目标检测算法

5.2.1 深度学习算法

5.2.2 卷积神经网络

5.2.3 目标检测算法

5.3 基于SSD网络的手术器械目标检测算法

5.3.1 网络架构

5.3.2 损失函数

5.4 实验

5.4.1 数据集

5.4.2 实验结果

5.5 小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢