机器人辅助微创心脏外科手术导航及视觉定位的研究

摘要

机器人辅助微创心脏外科手术具有传统心脏外科手术无法比拟的优点，即手术切口美观，术后创伤小，愈合期短。机器人辅助微创心脏外科手术主要由两部分组成：术前规划和术中导航。这两部分是按其手术过程的时间先后顺序来划分的，其中之一若有不恰当，那么不仅不能达到微创的效果，更可能会影响到整个手术的成败。 前期工作在借鉴机器人辅助神经外科手术术前规划的思想基础上，已经完成了基于CAD/CAE平台的术前切口规划，实现了切口优化和手术器械之间碰撞检验等功能，并对真实的12例房缺封堵和冠脉搭桥案例进行的实验比较，得到了较好的效果。在术中导航部分，由于微创心脏外科手术术中无法再像机器人辅助神经外科手术术中导航一样，可以获得术中的病人病灶多模图像，所以，通过在术中重建三维模型的方法就显得十分困难。但是，术前和术中病人的体位已经发生了变化，从而术中确定病灶的所在位置就成为机器人辅助心脏外科手术术中导航的关键。 针对目前机器人辅助心脏外科手术微创的特点，即三个切口分别为内窥镜和左右器械臂。本文提出了一种基于内窥镜单目视觉进行病灶定位的方法： 首先，在病人的胸骨表面贴上便于定位仪识别的特征点，待术中定位仪注册后，提取到特征点的空间三维坐标，并通过图像处理得到特征点的图像帧存坐标，从而进行内窥镜的标定，得到标定矩阵和内参数。 然后，通过内窥镜所观察到的实时心脏的动态彩色图像，进行病灶的图像匹配，目的是为了帮助医生更快、更准确的找到病灶在图像中的位置。 最后，在医生确认在视野中看到病灶的前提下，在术前规划路径的基础上，通过单目视觉技术进行病灶距内窥镜纵向距离的测量以及病灶大小的测量，从而可以确定病灶的空间三维坐标。 以上几部分仅通过实验进行了模拟测量，其误差都在机器人辅助心脏外科手术的容许范围以内。