经皮穿刺介入手术是传统开放性手术的重大变革,具有创伤小、手术并发症少和术后恢复快的特点。目前,经皮穿刺介入手术是在医学影像引导下进行的盲穿操作,手术效果过多的依赖医生的经验和技能,同时存在着穿刺病灶靶点和入针点定位不准、穿刺路径规划困难的问题,手术过程中需要对患者做多次医学图像扫描和调整穿刺的角度,存在医生劳动强度大、患者痛苦、辐照过多等问题。本文依托于江苏省科技厅重点研发计划项目“基于CT/MRI融合影像的穿刺机器人辅助骨转移癌痛微创治疗研究”,针对目前穿刺手术存在的问题,围绕基于医学图像的辅助精准穿刺机器人的关键技术展开,包括辅助穿刺机器人系统的构建、CT医学图像的处理、导航定位系统、穿刺路径规划、机器人智能控制算法及实验研究等内容。本文的研究工作主要集中在以下几个方面:第一,针对经皮穿刺介入手术的临床需求,研制了一套辅助精准穿刺机器人系统样机,并制定了基于医学图像的辅助精刺机器人系统的工作流程。经过一系列实验验证,样机平台能够满足穿刺中精准定位、稳定可靠、操作简单、节约时间的要求。第二,研究了医学图像的处理和可视化,设计完成了辅助精准穿刺机器人系统的操作软件,该软件界面友好、操作简便,且能够实时显示医学图像的任意层面成像和三维成像,便于医生观察分析医学图像和对穿刺机器人的控制。第三,研究了基于双目视觉的三维空间定位及配准方案,提出了医学图像坐标系到机器人工作空间坐标系的映射标定算法,解决了 CT图像到穿刺机器人手术空间配准的关键问题,精准识别患者皮肤标记点的空间坐标,将患者CT图像空间中的穿刺路径信息映射到辅助穿刺机器人手术空间中,从而实现了辅助精准定位的功能。第四,分析了六自由度串联机器人运动学和工作空间的特性,验证其构建辅助穿刺机器人引导精准穿刺操作的合理性。结合医学穿刺手术路径规划方案,改进粒子群优化BP神经网络的机器人智能控制算法,研究辅助精准穿刺机器人系统的空间轨迹规划,确保辅助穿刺机器人能以最佳姿态将末端引导器放置到皮肤入针点,辅助医生经设定的入针点和穿刺路径精准穿刺到手术靶点。最后,通过3D打印骨骼模型实验、活体动物实验和牛脊柱实验,验证辅助精准穿刺机器人精准定位方案的可行性。通过大量的实验研究,模拟临床穿刺手术实际操作过程,进一步验证辅助精准穿刺机器人的定位精度、安全性和稳定性;牛脊柱的穿刺实验,为将来人体脊柱穿刺手术积累了数据和经验。通过大量的实验验证和数据总结,为将来该辅助精准穿刺机器人系统的临床应用奠定基础。