【摘要】：椎弓根釘?shù)木珳?zhǔn)置入是腰椎椎弓根釘微創(chuàng)手術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),目前醫(yī)生是在X光片引導(dǎo)下徒手完成椎弓根釘置入操作,由于需多次拍片糾正置入螺釘?shù)奈蛔?手術(shù)時(shí)間往往很長(zhǎng),醫(yī)生和患者也會(huì)受到X光輻射的傷害。此外,醫(yī)生在手術(shù)中會(huì)疲勞和“手抖”,使置入螺釘?shù)膶?shí)際位姿與理想位姿之間有一定偏差,影響了手術(shù)效果。由此可見(jiàn),自主研發(fā)一種腰椎椎弓根釘微創(chuàng)手術(shù)引導(dǎo)機(jī)器人,并就其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究,具有重要的理論意義和臨床應(yīng)用價(jià)值。首先,本文深入分析了國(guó)內(nèi)外脊椎手術(shù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀,結(jié)合醫(yī)生實(shí)際需求和手術(shù)特點(diǎn),確定了腰椎椎弓根釘微創(chuàng)手術(shù)引導(dǎo)機(jī)器人的功能需求和性能指標(biāo),進(jìn)而提出了在Stewart平臺(tái)前后各串聯(lián)一個(gè)移動(dòng)自由度的手術(shù)機(jī)器人整體方案,并制定了相應(yīng)手術(shù)流程。其次,對(duì)手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行了位姿和工作空間分析。計(jì)算了機(jī)器人內(nèi)部位姿變換關(guān)系,以Stewart平臺(tái)為核心進(jìn)行了手術(shù)機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,并采用蒙特卡洛法計(jì)算了手術(shù)機(jī)器人的姿態(tài)工作空間和位置工作空間,為機(jī)器人的位姿計(jì)算和運(yùn)動(dòng)控制奠定了基礎(chǔ),同時(shí)也為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。再次,以運(yùn)動(dòng)性能、承載能力和剛性指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù),以鉸點(diǎn)分布和初始桿長(zhǎng)為優(yōu)化變量,以手術(shù)姿態(tài)范圍要求和結(jié)構(gòu)尺寸限制為約束,采用遺傳算法進(jìn)行了單目標(biāo)優(yōu)化,優(yōu)化后三種性能分別提高了110%、111.62%、539.4%。采用NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化,確定了Stewart平臺(tái)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。依據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)Stewart樣機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制硬軟件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。然后,分別基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析建立了姿態(tài)誤差模型,采用蒙特卡洛法分析姿態(tài)誤差概率分布,發(fā)現(xiàn)三個(gè)姿態(tài)角誤差均服從正態(tài)分布,且γ的誤差范圍更大,進(jìn)行了敏感性分析,發(fā)現(xiàn)敏感系數(shù)分布存在相似性和對(duì)稱(chēng)性,這些方法和結(jié)果為Stewart平臺(tái)的精度設(shè)計(jì)提供了依據(jù)�；谡`差模型建立了標(biāo)定模型,對(duì)42個(gè)誤差變量按特定線(xiàn)性關(guān)系組合而成的36個(gè)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí),為簡(jiǎn)化補(bǔ)償步驟,設(shè)定能觀矩陣QR分解的R矩陣對(duì)角線(xiàn)元素為0的列對(duì)應(yīng)的6個(gè)誤差變量為0,計(jì)算誤差補(bǔ)償值,仿真結(jié)果顯示理想情況下,補(bǔ)償后誤差基本被消除。采用微粒群算法進(jìn)行標(biāo)定位姿優(yōu)化選擇以解決隨機(jī)測(cè)量噪聲下辨識(shí)結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題,仿真結(jié)果顯示辨識(shí)和補(bǔ)償效果均有明顯提高。最后,為驗(yàn)證標(biāo)定方法的效果,使用兩軸傾角儀進(jìn)行了姿態(tài)誤差標(biāo)定試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示補(bǔ)償后絕大部分姿態(tài)誤差均明顯減小。本文的誤差標(biāo)定方法操作簡(jiǎn)單、成本低廉、效果明顯。本文研究成果為后續(xù)手術(shù)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ),為手術(shù)機(jī)器人的研制和臨床應(yīng)用提供了一種新思路,具有重要的參考價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：R687;TP242
【圖文】：

“脊椎微創(chuàng)手術(shù)引導(dǎo)機(jī)器人研制”，該項(xiàng)目致力椎弓根釘微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人。為此，本文結(jié)合項(xiàng)目術(shù)的特點(diǎn)，探討手術(shù)機(jī)器人的整體方案，并對(duì)手入的研究。在此基礎(chǔ)上，制作機(jī)器人核心部分樣研制的脊椎微創(chuàng)手術(shù)引導(dǎo)機(jī)器人在醫(yī)院臨床應(yīng)用根釘微創(chuàng)手術(shù)簡(jiǎn)介根釘手術(shù)有 5 節(jié)，用于支撐背部，是脊椎受力最集中的部疾病中出現(xiàn)最多，手術(shù)頻次更高。如圖 1-1 所示、橫突和上下關(guān)節(jié)突起組成，其中椎弓根位于椎部分的最強(qiáng)點(diǎn)[2]，對(duì)維持腰椎的穩(wěn)定起著重要的

圖 1-2 椎弓根釘手術(shù) X 光照片-2 The X-ray photo of pedicle screw ope為開(kāi)放性手術(shù)和微創(chuàng)手術(shù)。開(kāi)放性、韌帶等組織，雖可快速定位椎弓傷害，引起并發(fā)癥，如脊柱前屈力活能力的下降；另一方面恢復(fù)時(shí)間行微創(chuàng)手術(shù)時(shí)，醫(yī)生只需在確定的切口，將椎弓根釘插入，這樣的短，僅需兩三天時(shí)間便可下地行走，在臨床中得到大量應(yīng)用。微創(chuàng)手術(shù)方案的缺陷手術(shù)也有其不足，因?yàn)槲?chuàng)手術(shù)中

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文道。Renaissance 機(jī)器人是目前唯一通過(guò) FDA 和 CE有數(shù)千例的成功應(yīng)用報(bào)道，2010 年的臨床結(jié)果顯示[11]，而傳統(tǒng)的開(kāi)放手術(shù)準(zhǔn)確率為 91.4％[12]。Renais和時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題的同時(shí)提高了手術(shù)的準(zhǔn)確率，但它也了對(duì)患者的額外創(chuàng)傷；機(jī)器人和人體相對(duì)位置的配準(zhǔn)平臺(tái)工作空間也有限，需要搭配一定數(shù)量的手術(shù)器械

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2795897