第 1章 手術(shù)機器人概述

1.1手術(shù)機器人的概念　002

1.1.1外科手術(shù)的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)　002

1.1.2手術(shù)機器人的定義　002

1.1.3手術(shù)機器人系統(tǒng)的組成　003

1.1.4手術(shù)機器人的控制方式　004

1.2手術(shù)機器人的發(fā)展簡史　005

1.2.1國外手術(shù)機器人的發(fā)展簡史　005

1.2.2國內(nèi)手術(shù)機器人的發(fā)展簡史　008

1.3剛性手術(shù)機器人　011

1.3.1軟組織主從操作手術(shù)機器人　012

1.3.2硬組織導航定位手術(shù)機器人　013

1.3.3穿刺手術(shù)機器人　014

1.4連續(xù)體手術(shù)機器人　015

1.4.1結(jié)構(gòu)形式　016

1.4.2驅(qū)動方式　016

1.4.3運動學模型　018

1.4.4動力學模型　019

1.4.5應用場景　019

本章小結(jié)　023

參考文獻　023

第 2章　醫(yī)學影像智能分析

2.1常用醫(yī)學影像模態(tài)及其特點　029

2.1.1X射線成像　029

2.1.2X射線計算機斷層成像　029

2.1.3磁共振成像　030

2.1.4超聲成像　030

2.2深度學習　031

2.2.1張量　031

2.2.2自動求導　032

2.2.3計算圖與反向傳播算法　033

2.2.4多層感知機　034

2.2.5卷積神經(jīng)網(wǎng)絡　036

2.2.6循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡　038

2.2.7編碼器-解碼器架構(gòu)　039

2.2.8Transformer　040

2.2.9強化學習　043

2.2.10生成對抗網(wǎng)絡　047

2.2.11深度學習的學習方式　047

2.2.12趨勢和挑戰(zhàn)　050

2.3智能診斷　050

2.3.1分類診斷　050

2.3.2目標檢測　052

2.4醫(yī)學影像智能分割　054

2.4.1分割網(wǎng)絡基本結(jié)構(gòu)　055

2.4.2典型語義分割網(wǎng)絡　055

2.4.3實例分割網(wǎng)絡　056

2.4.4Transformer分割網(wǎng)絡　057

2.5圖像配準　057

2.5.1有監(jiān)督圖像配準　058

2.5.2無監(jiān)督圖像配準　058

2.6標志點檢測　059

2.6.1坐標回歸　059

2.6.2熱圖預測　059

2.7應用舉例　061

2.7.1耳蝸結(jié)構(gòu)自動分割　061

2.7.2腹部多器官自動分割　064

2.7.3顱頜面多組織結(jié)構(gòu)自動分割　067

2.7.4顱頜面標志點自動精確定位　071

本章小結(jié)　075

參考文獻　075

第3章　術(shù)中定位與多源感知

3.1相機標定　081

3.1.1針孔成像模型　081

3.1.2相機內(nèi)參數(shù)推定　082

3.1.3相機外參數(shù)推定　084

3.1.4鏡頭畸變建模與校正　085

3.1.5立體視覺標定　086

3.1.6立體視覺校正　087

3.2基于雙目視覺的目標跟蹤　088

3.2.1X角點與視覺標志物　089

3.2.2SVM分類　090

3.2.3X角點亞像素定位　090

3.2.4三維坐標計算　091

3.2.5姿態(tài)信息計算　092

3.2.6跟蹤穩(wěn)定器　094

3.2.7工具末端標定　095

3.3體內(nèi)術(shù)野三維重建　096

3.3.1像素匹配代價計算　097

3.3.2代價聚合與視差圖計算　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償　102

3.4基于超聲信號的淺表器官三維重建　104

3.4.1超聲探頭標定　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時三維重建　111

3.4.5實驗驗證　113

本章小結(jié)　115

參考文獻　115

第4章　空間配準與手術(shù)導航

4.1手術(shù)導航系統(tǒng)的組成　119

4.1.1跟蹤定位儀　119

4.1.2空間配準系統(tǒng)　119

4.1.3可視化顯示系統(tǒng)　121

4.2基于點的配準算法　123

4.2.1問題描述　123

4.2.2AOP問題的封閉解　124

4.2.3考慮噪聲模型的點對配準算法　124

4.2.4誤差傳遞與目標配準誤差預測　126

4.2.5數(shù)值仿真　128

4.3加權(quán)尺度點對配準　130

4.4最近點迭代算法　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配準應用舉例　135

4.5一致點漂移算法　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配準應用舉例　143

4.6數(shù)據(jù)歸一化　144

4.7三維-二維配準　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　150

4.7.7配準應用舉例　151

4.8虛擬現(xiàn)實導航　154

4.8.1虛擬相機　154

4.8.2虛擬圖像生成　155

4.8.3應用舉例　157

4.9增強現(xiàn)實導航　161

4.9.1HoloLens顯示裝置　161

4.9.2HoloLens離線標定　162

4.9.3原位融合顯示方法　164

4.9.4HoloLens在線校正　165

4.9.5應用舉例　166

本章小結(jié)　166

參考文獻　167

第5章　手術(shù)機械臂運動學與標定

5.1相關(guān)符號與基礎　171

5.1.1反對稱矩陣　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基于旋量的運動學建�！�177

5.2.1運動學參數(shù)　177

5.2.2從URDF文件提取運動學參數(shù)　178

5.2.3從M-DH參數(shù)表提取運動學參數(shù)　179

5.2.4基于指數(shù)積的運動學正解　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運動學位置逆解　187

5.5.1通用位置逆解算法　187

5.5.2算法實驗與結(jié)果　188

5.6相鄰三軸平行的六自由度機械臂位置解析逆解　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)機器人手眼標定　203

5.8.1手眼標定的數(shù)學模型　203

5.8.2手眼變換矩陣的線性解耦估計　204

5.8.3手眼變換矩陣的非線性同步估計　204

5.9基于MLE的手眼標定算法　205

5.9.1符號與表示　206

5.9.2測度函數(shù)　207

5.9.3測度函數(shù)的雅可比矩陣　208

5.9.4數(shù)值模擬實驗　209

本章小結(jié)　210

參考文獻　211

第6章　手術(shù)機械臂的線性控制

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任務空間軌跡控制　221

6.5手術(shù)機械臂RCM約束　223

6.5.1RCM實現(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控制實驗　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)機械臂控制系統(tǒng)　246

本章小結(jié)　249

參考文獻　249

第7章　手術(shù)機械臂的非線性控制

7.1系統(tǒng)模型　252

7.1.1機器人參數(shù)　252

7.1.2從URDF文件提取動力學參數(shù)　252

7.1.3機械臂動力學的旋量表達　253

7.1.4動力學方程　254

7.1.5動力學方程的性質(zhì)　257

7.2計算力矩控制　258

7.2.1關(guān)節(jié)空間控制　258

7.2.2任務空間控制　259

7.3魯棒控制　264

7.4自適應控制　266

7.5無源控制　266

7.5.1無源魯棒控制　267

7.5.2無源自適應控制　269

7.5.3回歸矩陣計算　269

7.6干擾觀測器　270

7.6.1基本觀測器　271

7.6.2改進觀測器　271

7.6.3設計　272

7.6.4設計　273

7.6.5零空間柔順　274

7.7仿真實驗　274

7.7.1無源魯棒控制　275

7.7.2無源自適應控制　276

7.7.3外部力干擾　277

7.7.4基于干擾觀測器的任務空間控制與零空間柔順　278

本章小結(jié)　281

參考文獻　281

第8章　手術(shù)機械臂的力控制

8.1機械臂的運動約束　284

8.1.1關(guān)節(jié)空間運動約束　284

8.1.2任務空間運動約束　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導納控制　295

8.4.1導納控制原理　295

8.4.2狀態(tài)開環(huán)導納控制器　299

8.4.3狀態(tài)閉環(huán)導納控制器　301

8.4.4混合導納控制器　303

8.4.5零重力拖動與力調(diào)控　303

8.5六維力傳感器標定及重力和慣性力補償　305

8.5.1六維力傳感器的標定　306

8.5.2重力和慣性力補償　307

8.5.3六維力傳感器標定實驗　308

8.5.4重力和慣性力補償實驗　308

8.6虛擬夾具約束　309

8.6.1虛擬夾具約束實現(xiàn)　310

8.6.2虛擬夾具約束模型　310

8.6.3實驗驗證　311

8.7力控制在醫(yī)療機器人中的應用　313

8.7.1自動超聲掃描機器人　313

8.7.2主從柔順RCM控制　319

本章小結(jié)　323

參考文獻　323

第9章　手術(shù)機器人系統(tǒng)開發(fā)與實驗

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

9.1.1柔性機器人設計　326

9.1.2運動學分析　327

9.1.3系統(tǒng)設計與實驗　332

9.2經(jīng)尿道前列腺切除手術(shù)機器人　335

9.2.1經(jīng)尿道手術(shù)機器人系統(tǒng)設計要求　336

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

9.2.3經(jīng)尿道手術(shù)機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計　339

9.2.4經(jīng)尿道手術(shù)機器人控制系統(tǒng)設計　341

9.2.5經(jīng)尿道手術(shù)機器人系統(tǒng)集成與測試　343

9.2.6動物器官體外實驗　348

9.3圖像引導下的腦室穿刺手術(shù)機器人　350

9.3.1總體方案設計　350

9.3.2穿刺執(zhí)行器系統(tǒng)設計　351

9.3.3控制系統(tǒng)架構(gòu)　352

9.3.4機械臂運動控制　352

9.3.5術(shù)前規(guī)劃系統(tǒng)　353

9.3.6視覺導航系統(tǒng)　353

9.3.7實驗方法　354

9.3.8實驗結(jié)果　357

本章小結(jié)　357

參考文獻　357