面向机器人辅助外科手术的腹腔镜视觉导航方法研究

摘要

机器人辅助外科手术是最近三十年发展起来的一种新型的手术方式，其具有术时创伤小、术后恢复快的优点，但外科手术机器人并非代替医生进行手术，主要作用是辅助医生进行手术，基本没有自主权。在目前的腹腔镜手术过程中，医生必须指挥腹腔镜操作者或者控制机械臂调节腹腔镜的位置和姿态，这不仅使医生分心，而且腹腔镜不一定能调整到一个理想的位置，为此本文提出了一种追踪手术器械的腹腔镜视觉导航方法。
　　面向本实验室在研的微创腹腔镜手术机器人系统，结合腹腔镜的成像原理和机器人运动学，建立了腹腔镜的运动成像模型，为腹腔镜视觉导航奠定基础。结合机器人辅助外科手术的环境及流程，分析腹腔镜视觉导航相关的关键技术，给出了腹腔镜视觉导航的整体流程。
　　根据外科手术过程中的常用操作，设定两种手术状态，结合手术状态给出了腹腔镜导航过程中的感兴趣区域的详细定义（输出图像），基于感兴趣区域研究了腹腔镜运动决策方法，用于确定腹腔镜何时运动、如何运动，并且给出了该方法相关参数的详细计算过程。
　　分析了基于均值漂移的图像分割算法和基于核相关滤波器的目标跟踪算法，结合腹腔镜视觉导航的需求，分别对其进行改进，使其适用于腹腔镜视觉导航方法，并通过实验对改进的算法与原算法进行了对比分析，证明了改进算法的优点，最后采用多种外部依赖库，在VS2013上编写了腹腔镜图像处理的总程序。
　　详细分析了基于视觉精确定位手术器械的方法，搭建视觉定位手术器械的实验环境，同时进行了相机的标定实验和手术器械的快速和精确定位实验。结合定位实验的结果，采用MATLAB对腹腔镜的视觉导航方法进行了动态仿真，通过仿真过程腹腔镜的运动状态和输出图像的参数变化曲线说明了本方法的可行性，最后对不同视角的腹腔镜进行仿真，证明了其适应性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章绪论

1.1课题的研究目的及意义

1.2国内外研究状况

1.3论文的主要研究内容

第2章腹腔镜视觉导航方案研究

2.1引言

2.2机器人辅助微创腹腔镜手术环境及流程

2.3腹腔镜的运动成像模型

2.4腹腔镜视觉导航方案分析

2.5本章小结

第3章 基于感兴趣区域的持镜臂运动决策方法研究

3.1引言

3.2手术状态的判定

3.3感兴趣区域的定义

3.4持镜臂的运动决策方法

3.5本章小结

第4章 腹腔镜图像处理方法研究

4.1引言

4.2基于均值漂移的图像分割算法

4.3基于核相关滤波器的目标跟踪算法

4.4腹腔镜的图像处理软件实现

4.5本章小结

第5章腹腔镜视觉导航方法实验研究

5.1引言

5.2基于视觉的手术器械定位方法实验研究

5.3腹腔镜视觉导航方法仿真实验研究

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果表

致谢