光学定位脑外科机器人系统及其空间配准

坐标标定与空间配准是图像导引的无框架脑外科立体定向机器人研究中的基本问题。为了实现简便、快捷的空间注册和标定,并提高机器人立体定位的精度,本文提出一种基于光学定位的脑外科机器人系统方案,并介绍了系统的构造、工作原理及流程,分析了基于光学定位手段建立从计算机图像空间到机器人现实操作空间的坐标映射的简捷、有效的方法。该系统基于标志点进行空间配准,采用光学跟踪定位手段,可以实时跟踪修正机器人的末端位姿,使系统在操作精度、操作便捷性和智能化方面有很大的改善。本研究提出的系统方法和坐标系映射转换关系,为实际应用提供了理论基础。

脑外科机器人结构分析与参数优化设计

为实现脑外科机器人在脑外科手术中辅助医生进行精确导航定位,进行了机器人结构灵活性及手术空间要求的研究.首先,研制了一种五自由度脑外科机器人结构,利用D-H方法计算了机器人运动学的正反解方程.其次,运用MATLAB软件对机器人的工作空间、灵活性及手术空间进行了可视化仿真,仿真的结果表明该机器人结构可以用来辅助医生选择最佳手术路径,并以上述分析为依据提出了一种机器人结构参数优化设计的方法.最后通过手术模拟试验验证了所设计的机器人灵活性满足脑外科手术要求.

一种基于视觉的脑外科机器人DH参数标定方法

针对脑外科手术机器人的特点,即要求较高的绝对定位精度和较为简单的标定操作,提出一种通过工业相机完成的DH参数标定方法。该方法的核心是一种基于位姿误差的误差方程。通过对其进行最优化完成DH参数标定,使绝对定位误差从8.564 5mm降低至0.637 8mm。并且该方法具有设备简单、操作简易等优点,适用于医疗手术环境。

基于欧拉角变换的脑外科机器人系统手术规划方法

在分析脑外科定向手术机器人系统对手术刀进刀路径要求的基础上，研究了二维和三维手术规划，提出了基于欧拉角变换的脑外科机器人定向手术的规划办法；在详细分析手术进刀路径的确定方法后，给出了基于DICOM医疗图像的脑外科机器人系统手术规划的具体实现过程。该规划方法避免了手术路径确定过程的盲目随机性，可使医生高效、快速、准确地确定手术进刀路径。

位姿闭环控制的高精度脑外科机器人

为解决现有脑外科机器人存在的绝对定位精度难于满足精细手术应用的问题,提出一种视觉伺服的系统方案,引入高精度光学跟踪手段,对机器人的末端位姿进行实时测量并反馈。采用一种基于关节空间控制和位姿空间动态补偿综合的机器人视觉闭环控制方法,并设计了动态校正控制算法。仿真结果表明:动态位姿闭环可以有效克服各种参数误差因素的影响,对机器人的绝对定位和跟踪误差具有校正作用,明显改善了轨迹跟踪精度,同时提高了鲁棒性能。绝对定位达到神经外科手术±1mm的精度要求,实际运用取得了令人满意的结果。

新一代CR型脑外科机器人在颅内病变活组织检查中的应用探讨

目的评估应用新一代CR型脑外科机器人进行颅内病变立体定向穿刺活组织检查(简称活检)的安全性和准确性。方法回顾性分析2018年10月至2020年6月于航天中心医院神经外科行颅内病变活检的60例患者的临床资料。术前1~2 d行头颅增强MRI T1加权成像三维磁化强度预备梯度回波序列扫描,手术当日行螺旋CT薄层扫描。将CT、MRI数据导入新一代CR型脑外科机器人手术计划系统,进行CT-MRI融合定位,计算穿刺靶点的坐标,并根据病灶的部位和神经影像学特征,设计个体化穿刺路径后进行活检。术后评估靶点定位的准确性,并观察术后并发症的发生情况。结果60例患者均成功实施无框架立体定向穿刺活检。术后病理学结果为:弥漫性星形细胞瘤和少突胶质细胞肿瘤25例,神经元和混合性神经元-胶质肿瘤1例;淋巴瘤16例;转移性肿瘤4例;炎性肉芽肿2例;脑内血管瘤1例;炎性脱髓鞘病变6例;急性淋巴细胞白血病颅内浸润1例;精原细胞细胞瘤1例;原始神经外胚层肿瘤1例;朗格汉斯细胞组织细胞增生症1例;血管炎性疾病1例;诊断阳性率为100%(60/60)。术后靶点准确性评估结果显示,60例患者的靶点误差为(1.36±0.42)mm(0.55~1.99 mm)。术后发生穿刺相关性出血2例,经治疗后好转;1例接受脑干活检的患者术后出现一侧面瘫,经保守治疗后好转。结论应用新一代CR型脑外科机器人可根据颅内病变的形态进行手术规划,具有创伤小、定位精度高、操作灵活、简便等优点,适用于颅内各部位病变的活检。

3D Slicer软件在CR型脑外科手术机器人颅内病变活检中的应用

目的探讨3D Slicer软件辅助国产CR型脑外科手术机器人在颅内病变活检组织检查中的应用价值。方法回顾性分析航天中心医院神经外科2019年1月至2021年12月连续收治并采用国产CR型脑外科手术机器人进行颅内病变活检的80例病例资料。男性36例,女性44例,年龄(38.5±18.0)岁(范围:6~71岁)。术前仅行T1加权三维磁化强度预备梯度回波序列和弥散张量成像扫描,收集数据后应用3D Slicer软件重建颅内病变、大脑皮层和血管、白质纤维束的影像,将CT和MRI数据导入国产CR型脑外科手术机器人工作站,设计穿刺路径;穿刺病变组织送病理检查,明确诊断。结果80例患者的无框架立体定向穿刺活检均成功完成。病理学诊断弥漫性星形细胞瘤和少突胶质细胞瘤50例,淋巴瘤15例,转移瘤5例,炎性脱髓鞘病5例,炎性肉芽肿2例,血管瘤1例,急性淋巴细胞白血病颅内浸润1例,精原细胞瘤1例,穿刺活检阳性率100%(80/80)。术后影像学证实穿刺路径和靶点均按术前规划精准实施,靶点误差为(1.32±0.44)mm(范围:0.55~1.99 mm)。术后发生穿刺靶点无症状渗血1例,经治疗后好转。结论通过3D Slicer软件术前自主重建三维多模态影像,可以帮助术者进行术前手术规划,降低国产CR型脑外科手术机器人立体定向脑活检的风险。

知识长廊

无原子核的人造原子自然界中存在的原子是由原子核和电子构成的。但是,日本电信电话公司基础研究所的樽茶清悟等人,最近,制作出了没有原子核的人造原子。虽说没有核,但是电子的轨迹模型以及由电子数量决定的原子序数等,都与现实的原子(例如1个电子的话是氢)非常相似。樽茶等人原来是从事半导体研究的。丰导体是以1万至10万个单位控制电子的。随着技术的进步,要求半导体的体积越来越小。但是,要想使它更小,就需要制造出只要识别1-2个电子就能工作的半导体。