第 1章 手術(shù)機(jī)器人概述

1.1手術(shù)機(jī)器人的概念　002

1.1.1外科手術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)　002

1.1.2手術(shù)機(jī)器人的定義　002

1.1.3手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的組成　003

1.1.4手術(shù)機(jī)器人的控制方式　004

1.2手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展簡(jiǎn)史　005

1.2.1國(guó)外手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展簡(jiǎn)史　005

1.2.2國(guó)內(nèi)手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展簡(jiǎn)史　008

1.3剛性手術(shù)機(jī)器人　011

1.3.1軟組織主從操作手術(shù)機(jī)器人　012

1.3.2硬組織導(dǎo)航定位手術(shù)機(jī)器人　013

1.3.3穿刺手術(shù)機(jī)器人　014

1.4連續(xù)體手術(shù)機(jī)器人　015

1.4.1結(jié)構(gòu)形式　016

1.4.2驅(qū)動(dòng)方式　016

1.4.3運(yùn)動(dòng)學(xué)模型　018

1.4.4動(dòng)力學(xué)模型　019

1.4.5應(yīng)用場(chǎng)景　019

本章小結(jié)　023

參考文獻(xiàn)　023

第 2章　醫(yī)學(xué)影像智能分析

2.1常用醫(yī)學(xué)影像模態(tài)及其特點(diǎn)　029

2.1.1X射線成像　029

2.1.2X射線計(jì)算機(jī)斷層成像　029

2.1.3磁共振成像　030

2.1.4超聲成像　030

2.2深度學(xué)習(xí)　031

2.2.1張量　031

2.2.2自動(dòng)求導(dǎo)　032

2.2.3計(jì)算圖與反向傳播算法　033

2.2.4多層感知機(jī)　034

2.2.5卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)　036

2.2.6循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)　038

2.2.7編碼器-解碼器架構(gòu)　039

2.2.8Transformer　040

2.2.9強(qiáng)化學(xué)習(xí)　043

2.2.10生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)　047

2.2.11深度學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)方式　047

2.2.12趨勢(shì)和挑戰(zhàn)　050

2.3智能診斷　050

2.3.1分類診斷　050

2.3.2目標(biāo)檢測(cè)　052

2.4醫(yī)學(xué)影像智能分割　054

2.4.1分割網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)　055

2.4.2典型語義分割網(wǎng)絡(luò)　055

2.4.3實(shí)例分割網(wǎng)絡(luò)　056

2.4.4Transformer分割網(wǎng)絡(luò)　057

2.5圖像配準(zhǔn)　057

2.5.1有監(jiān)督圖像配準(zhǔn)　058

2.5.2無監(jiān)督圖像配準(zhǔn)　058

2.6標(biāo)志點(diǎn)檢測(cè)　059

2.6.1坐標(biāo)回歸　059

2.6.2熱圖預(yù)測(cè)　059

2.7應(yīng)用舉例　061

2.7.1耳蝸結(jié)構(gòu)自動(dòng)分割　061

2.7.2腹部多器官自動(dòng)分割　064

2.7.3顱頜面多組織結(jié)構(gòu)自動(dòng)分割　067

2.7.4顱頜面標(biāo)志點(diǎn)自動(dòng)精確定位　071

本章小結(jié)　075

參考文獻(xiàn)　075

第3章　術(shù)中定位與多源感知

3.1相機(jī)標(biāo)定　081

3.1.1針孔成像模型　081

3.1.2相機(jī)內(nèi)參數(shù)推定　082

3.1.3相機(jī)外參數(shù)推定　084

3.1.4鏡頭畸變建模與校正　085

3.1.5立體視覺標(biāo)定　086

3.1.6立體視覺校正　087

3.2基于雙目視覺的目標(biāo)跟蹤　088

3.2.1X角點(diǎn)與視覺標(biāo)志物　089

3.2.2SVM分類　090

3.2.3X角點(diǎn)亞像素定位　090

3.2.4三維坐標(biāo)計(jì)算　091

3.2.5姿態(tài)信息計(jì)算　092

3.2.6跟蹤穩(wěn)定器　094

3.2.7工具末端標(biāo)定　095

3.3體內(nèi)術(shù)野三維重建　096

3.3.1像素匹配代價(jià)計(jì)算　097

3.3.2代價(jià)聚合與視差圖計(jì)算　099

3.3.3三維腹腔鏡三維重建　101

3.3.4高光與器械遮擋的重繪補(bǔ)償　102

3.4基于超聲信號(hào)的淺表器官三維重建　104

3.4.1超聲探頭標(biāo)定　106

3.4.2超聲圖像分割　107

3.4.3超聲體數(shù)據(jù)三維重建　109

3.4.4基于貝塞爾曲線的實(shí)時(shí)三維重建　111

3.4.5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證　113

本章小結(jié)　115

參考文獻(xiàn)　115

第4章　空間配準(zhǔn)與手術(shù)導(dǎo)航

4.1手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的組成　119

4.1.1跟蹤定位儀　119

4.1.2空間配準(zhǔn)系統(tǒng)　119

4.1.3可視化顯示系統(tǒng)　121

4.2基于點(diǎn)的配準(zhǔn)算法　123

4.2.1問題描述　123

4.2.2AOP問題的封閉解　124

4.2.3考慮噪聲模型的點(diǎn)對(duì)配準(zhǔn)算法　124

4.2.4誤差傳遞與目標(biāo)配準(zhǔn)誤差預(yù)測(cè)　126

4.2.5數(shù)值仿真　128

4.3加權(quán)尺度點(diǎn)對(duì)配準(zhǔn)　130

4.4最近點(diǎn)迭代算法　131

4.4.1剛性ICP算法　131

4.4.2非剛性ICP算法　132

4.4.3ICP算法的變種　134

4.4.4配準(zhǔn)應(yīng)用舉例　135

4.5一致點(diǎn)漂移算法　138

4.5.1CPD算法框架　138

4.5.2剛性CPD算法　139

4.5.3仿射CPD算法　140

4.5.4非剛性CPD算法　141

4.5.5CPD算法加速　142

4.5.6配準(zhǔn)應(yīng)用舉例　143

4.6數(shù)據(jù)歸一化　144

4.7三維-二維配準(zhǔn)　145

4.7.1形狀表征和相似性定義　145

4.7.2視圖生成　146

4.7.3形狀特征提取　147

4.7.4視圖聚類　148

4.7.5在線匹配　149

4.7.6位姿恢復(fù)　150

4.7.7配準(zhǔn)應(yīng)用舉例　151

4.8虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航　154

4.8.1虛擬相機(jī)　154

4.8.2虛擬圖像生成　155

4.8.3應(yīng)用舉例　157

4.9增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航　161

4.9.1HoloLens顯示裝置　161

4.9.2HoloLens離線標(biāo)定　162

4.9.3原位融合顯示方法　164

4.9.4HoloLens在線校正　165

4.9.5應(yīng)用舉例　166

本章小結(jié)　166

參考文獻(xiàn)　167

第5章　手術(shù)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)與標(biāo)定

5.1相關(guān)符號(hào)與基礎(chǔ)　171

5.1.1反對(duì)稱矩陣　171

5.1.2矩陣指數(shù)　171

5.1.3李群與李代數(shù)　172

5.1.4速度旋量　174

5.1.5力旋量　175

5.1.6螺旋軸　176

5.2基于旋量的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模　177

5.2.1運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)　177

5.2.2從URDF文件提取運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)　178

5.2.3從M-DH參數(shù)表提取運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)　179

5.2.4基于指數(shù)積的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解　180

5.3雅可比矩陣　181

5.3.1廣義雅可比矩陣　181

5.3.2速度旋量雅可比矩陣　181

5.3.3其他形式的雅可比矩陣　182

5.3.4力雅可比矩陣　184

5.3.5奇異性　184

5.4速度逆解　185

5.4.1廣義逆法　186

5.4.2梯度投影法　186

5.5運(yùn)動(dòng)學(xué)位置逆解　187

5.5.1通用位置逆解算法　187

5.5.2算法實(shí)驗(yàn)與結(jié)果　188

5.6相鄰三軸平行的六自由度機(jī)械臂位置解析逆解　188

5.6.1求解1、5、6關(guān)節(jié)角度　189

5.6.2求解2、3、4關(guān)節(jié)角度　190

5.6.3分析與討論　192

5.6.4解析逆解舉例　192

5.7S-R-S構(gòu)型的七自由度機(jī)械臂位置解析逆解　193

5.7.1M-DH建�！�194

5.7.2參考平面與臂角　195

5.7.3位置逆解　197

5.7.4臂角求解　198

5.7.5臂角深入討論　198

5.8手術(shù)機(jī)器人手眼標(biāo)定　203

5.8.1手眼標(biāo)定的數(shù)學(xué)模型　203

5.8.2手眼變換矩陣的線性解耦估計(jì)　204

5.8.3手眼變換矩陣的非線性同步估計(jì)　204

5.9基于MLE的手眼標(biāo)定算法　205

5.9.1符號(hào)與表示　206

5.9.2測(cè)度函數(shù)　207

5.9.3測(cè)度函數(shù)的雅可比矩陣　208

5.9.4數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)　209

本章小結(jié)　210

參考文獻(xiàn)　211

第6章　手術(shù)機(jī)械臂的線性控制

6.1系統(tǒng)穩(wěn)定性　213

6.1.1線性系統(tǒng)穩(wěn)定性　213

6.1.2李雅普諾夫間接方法　214

6.1.3不變集　216

6.1.4LaSalle定理　216

6.1.5一致最終有界　216

6.2關(guān)節(jié)電機(jī)速度控制　217

6.2.1系統(tǒng)模型　217

6.2.2速度開環(huán)控制　218

6.2.3速度閉環(huán)控制　219

6.3關(guān)節(jié)空間軌跡控制　220

6.4任務(wù)空間軌跡控制　221

6.5手術(shù)機(jī)械臂RCM約束　223

6.5.1RCM實(shí)現(xiàn)方式　224

6.5.2RCM約束解耦控制　225

6.5.3基于旋量的RCM約束軌跡生成　226

6.5.4RCM控制實(shí)驗(yàn)　228

6.6控制仿真　230

6.6.1關(guān)節(jié)速度控制仿真　231

6.6.2關(guān)節(jié)空間軌跡控制仿真　232

6.6.3任務(wù)空間軌跡控制仿真　234

6.6.4手術(shù)器械RCM約束解耦控制仿真　237

6.6.5基于旋量的RCM約束軌跡生成仿真　239

6.7基于EtherCAT的手術(shù)機(jī)械臂多軸控制　239

6.7.1EtherCAT通信協(xié)議　240

6.7.2IgH主站介紹　242

6.7.3CANopen協(xié)議　244

6.7.4手術(shù)機(jī)械臂控制系統(tǒng)　246

本章小結(jié)　249

參考文獻(xiàn)　249

第7章　手術(shù)機(jī)械臂的非線性控制

7.1系統(tǒng)模型　252

7.1.1機(jī)器人參數(shù)　252

7.1.2從URDF文件提取動(dòng)力學(xué)參數(shù)　252

7.1.3機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)的旋量表達(dá)　253

7.1.4動(dòng)力學(xué)方程　254

7.1.5動(dòng)力學(xué)方程的性質(zhì)　257

7.2計(jì)算力矩控制　258

7.2.1關(guān)節(jié)空間控制　258

7.2.2任務(wù)空間控制　259

7.3魯棒控制　264

7.4自適應(yīng)控制　266

7.5無源控制　266

7.5.1無源魯棒控制　267

7.5.2無源自適應(yīng)控制　269

7.5.3回歸矩陣計(jì)算　269

7.6干擾觀測(cè)器　270

7.6.1基本觀測(cè)器　271

7.6.2改進(jìn)觀測(cè)器　271

7.6.3設(shè)計(jì)　272

7.6.4設(shè)計(jì)　273

7.6.5零空間柔順　274

7.7仿真實(shí)驗(yàn)　274

7.7.1無源魯棒控制　275

7.7.2無源自適應(yīng)控制　276

7.7.3外部力干擾　277

7.7.4基于干擾觀測(cè)器的任務(wù)空間控制與零空間柔順　278

本章小結(jié)　281

參考文獻(xiàn)　281

第8章　手術(shù)機(jī)械臂的力控制

8.1機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)約束　284

8.1.1關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)約束　284

8.1.2任務(wù)空間運(yùn)動(dòng)約束　285

8.2力-位混合控制　285

8.2.1力-位混合控制器　285

8.2.2力-位混合控制仿真　287

8.3阻抗控制　289

8.3.1任務(wù)空間控制力矩　290

8.3.2基于投影的零空間控制力矩　291

8.3.3基于零空間速度的控制力矩　292

8.3.4阻抗控制仿真　293

8.4導(dǎo)納控制　295

8.4.1導(dǎo)納控制原理　295

8.4.2狀態(tài)開環(huán)導(dǎo)納控制器　299

8.4.3狀態(tài)閉環(huán)導(dǎo)納控制器　301

8.4.4混合導(dǎo)納控制器　303

8.4.5零重力拖動(dòng)與力調(diào)控　303

8.5六維力傳感器標(biāo)定及重力和慣性力補(bǔ)償　305

8.5.1六維力傳感器的標(biāo)定　306

8.5.2重力和慣性力補(bǔ)償　307

8.5.3六維力傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)　308

8.5.4重力和慣性力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)　308

8.6虛擬夾具約束　309

8.6.1虛擬夾具約束實(shí)現(xiàn)　310

8.6.2虛擬夾具約束模型　310

8.6.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證　311

8.7力控制在醫(yī)療機(jī)器人中的應(yīng)用　313

8.7.1自動(dòng)超聲掃描機(jī)器人　313

8.7.2主從柔順RCM控制　319

本章小結(jié)　323

參考文獻(xiàn)　323

第9章　手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)驗(yàn)

9.1經(jīng)肛門內(nèi)鏡微創(chuàng)手術(shù)柔性機(jī)器人　326

9.1.1柔性機(jī)器人設(shè)計(jì)　326

9.1.2運(yùn)動(dòng)學(xué)分析　327

9.1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)　332

9.2經(jīng)尿道前列腺切除手術(shù)機(jī)器人　335

9.2.1經(jīng)尿道手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求　336

9.2.2經(jīng)尿道手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)總體方案　338

9.2.3經(jīng)尿道手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)　339

9.2.4經(jīng)尿道手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)　341

9.2.5經(jīng)尿道手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)集成與測(cè)試　343

9.2.6動(dòng)物器官體外實(shí)驗(yàn)　348

9.3圖像引導(dǎo)下的腦室穿刺手術(shù)機(jī)器人　350

9.3.1總體方案設(shè)計(jì)　350

9.3.2穿刺執(zhí)行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)　351

9.3.3控制系統(tǒng)架構(gòu)　352

9.3.4機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制　352

9.3.5術(shù)前規(guī)劃系統(tǒng)　353

9.3.6視覺導(dǎo)航系統(tǒng)　353

9.3.7實(shí)驗(yàn)方法　354

9.3.8實(shí)驗(yàn)結(jié)果　357

本章小結(jié)　357

參考文獻(xiàn)　357