骨活检手术作为发展成熟的微创手术，在临床诊断中发挥着重要的作用，尤其为很多可疑疾病提供一种全新的确诊方法和研究途径。传统骨活检手术主要依赖临床医生的经验判断手术切口位置和深度，不仅易导致手术失败增加病人二次手术的痛苦，而且易导致人体某些关键部位医疗事故的发生。图像向导的手术机器人技术结合医学图像、电子信息、机械工程、自动化、控制工程、图像处理等学科的优势，具有定位准确、控制精度高和可视化程度高等优点，可以辅助解决现代医学中的一些难题，成为目前国内外研究的热点之一。基于骨活检手术的医学诊断价值和磁共振成像的突出优势，本文提出将磁共振图像向导手术机器人引入骨活检手术，并对磁共振图像向导骨活检手术机器人的一些关键技术问题进行了较为深入的研究。论文主要完成以下研究内容。研究了磁共振图像向导手术机器人兼容性的两个组成部分，即磁共振兼容性和结构兼容性。从磁共振基本原理、磁共振成像原理方面介绍了磁共振物理基础，分析了材料顺磁性与抗磁性对磁共振成像的影响，结合信噪比、空间分辨力和对比度讨论了评价磁共振图像质量的方法。分析封闭式磁共振环境下机器人结构设计要求，通过优化传统手术操作解决了手术机器人结构兼容性技术问题。建立磁共振环境的等效模型，分析了金属材料在静磁场中的磁感线分布和磁场强度分布。通过仿真涡流场在不同相位时影响磁共振图像质量的机理，为研究MRI环境下手术机器人结构和手术工具的运动对磁共振图像的影响提供分析方法。提出一种稳定性高和手术时间短的自动骨活检样本提取方法。根据手术针介入软组织过程力的组成因素建立了Neo-Hookean超弹性材料模型，研究了手术工具直径、手术工具形状、介入速度和约束方式对软组织介入过程的影响。骨骼钻削测试结果表明，自动骨骼钻削在平均力与最大力的偏差、平均操作时间等方面较手动钻削方式有显著改善。通过研究旋转速度、手术工具直径对骨骼钻削过程力的影响，为本文拟开发的骨活检手术机器人确定最大旋转速度、安全控制力提供了理论依据，解决了骨活检手术机器人操作过程控制参数选择问题。提出磁共振图像向导骨活检手术机器人手术过程安全控制方法。建立了生物组织的3D实体模型，研究了模型优化、网格优化和有限元分析内容。在通用LightSpeed64排螺旋扫描仪上获取新鲜猪腿骨的CT图像，保存为DICOM标准格式；借助Mimics工具实现猪大腿骨3D实体重建模；采用逆向工程软件Geomagic Studio、基于优化算法的光顺法和智能Laplacian光顺法优化猪体大腿骨3D实体模型和网格；基于灰度值方法实现3D实体模型材料赋值；建立手术工具模型，在Abaqus中完成骨骼介入过程的有限元分析。本文从减轻病人痛苦和防止骨骼断裂等方面综合考虑，确定了研究对象在骨骼介入阶段的进给速度。基于生物组织实体模型的有限元分析方法，解决了手术过程安全性控制技术问题。提出基于Flexiforce传感器的力反馈控制系统设计方法。通过设计简易和通用的Flexiforce传感器固定装置，完成在常规环境、磁共振环境下传感装置的标定和磁共振兼容性测试。测试结果表明，Flexiforce传感装置不仅具有良好的磁共振兼容性，而且在磁共振扫描仪工作时采取减震措施有效地改善振动引起的扰动，消除机械振动对力数据采集过程的影响。设计了以超声波电机、Flexiforce传感器、尼龙、铝合金、铜合金等非铁磁性材料组成的力反馈系统测试平台。以新鲜动物软组织为测试对象，完成Flexiforce传感器力反馈系统和对照力反馈系统动态力测试性能对比研究。测试结果表明，在设定的介入深度范围内，两者的介入力曲线拟合度高达约95%，即基于Flexiforce传感器的力反馈系统可以用于运动状态测试。该设计方法为开发骨活检手术机器人解决了构建磁共振兼容的力反馈系统的技术难题。提出提高超声波电机磁共振兼容性的设计方案。采用归一化信噪比计算方法对比分析安装距离对磁共振兼容性的影响，确定了超声波电机的安全距离。磁共振兼容性测试结果表明，超声波电机USR30比USR60引起较少的磁共振干扰，增加超声波电机数量会降低图像质量，超声波电机平行安装方式比垂直安装方式获取更好的磁共振图像，测试平台的主体结构对磁共振图像有轻微影响，可以通过减少金属材料的方式进一步提高磁共振兼容性。简化的骨活检手术工具在磁共振图像向导作用下准确的到达预定目标点，不仅实现了精确定位，而且验证了本文以磁共振图像作为骨活检手术向导方法的思想。该结果为开发磁共振图像向导的骨活检手术机器人解决执行机构磁共振兼容性和图像向导问题提供了技术方案。