随着计算机技术和机器人学的发展,机器人外科手术的研究非常活跃,并且出现了一些实用化系统,但是到目前为止还没有直接针对膝关节手术的研究成果和系统出现。然而全世界每年有成千上万的患有膝关节疾病(如风湿、类风湿性关节炎,骨关节炎)的病人接受了全膝关节置换(Total Knee Replacement,TKR)手术,期望在一定程度上恢复行动,减轻痛苦。TKR手术的效果主要取决于手术定位和假体安装的精确程度。目前,TKR手术中广泛使用传统的夹具系统来进行切割定位,定位精度主要依赖于医生的经验,而且夹具系统种类众多,操作繁琐。这无疑增加了手术的不确定性,影响了假体的安装精度及膝关节运动功能的重建。 传统机器人辅助全膝关节手术系统存在的定位精度差,初始定位难等诸多缺点一直是人们的研究热点之一。本文基于机器人集成手术系统的理念,针对全膝关节置换手术,使用了机器人辅助全膝关节手术系统(RASSTKR,Robot Assisted Surgical System for Total Knee Replacement)的概念及命名方式。对RASSTKR系统的构建、定位跟踪、标定等关键技术在理论性与应用性上进行了全面的研究,主要工作如下: 不管是从技术的可重复性还是经济利益角度考虑,只针对一个手术应用而专门开发的系统都是欠高效的。本文首先就如何利用现有的RASSTKR系统的理论方法、技术与设备开发髋关节置换、脑外科手术等相近手术,以及提供与这些手术的扩展接口等重要问题,在理论层面上阐述了RASSTKR系统的扩展性,并从更广的概念上建立了可扩展的RASSTKR架构模型。这为新的手术应用提供了理论基础和技术支撑。 视觉(光学)定位跟踪技术是RASSTKR系统研究的关键技术之一。本文详细介绍了RASSTKR摄像机定位模型,描述了模型的建立过程与算法流程,同时在文中根据计算机视觉理论并结合膝关节的生理特点及手术要求,提出了一种新的股骨定位方法,为RASSTKR的手术实现提供了最直接的理论保障。