基于光学定位系统的前列腺粒子植入机器人术中导航研究.pdf

基于光学定位系统的前列腺粒子植入机器人术中导航

研究

摘要

近距离前列腺粒子植入机器人手术导航系统对前列腺癌的治疗具有重大意义。

由于现阶段的前列腺粒子植入机器人缺乏导航系统，大量的手术操作缺乏引导，

导致医生工作量较大，容易疲劳且粒子植入精度较低，难以保证治疗效果。为了

解决以上问题，本文设计了一种用于前列腺粒子植入机器人的术中导航系统，并

且设计了相应的手术流程，前列腺粒子植入机器人在导航系统的引导下可以完成

整个手术过程，较大的提高手术精度，保证治疗效果。

首先，根据前列腺粒子植入手术的特点，从前列腺粒子植入机器人的结构开

始进行研究，并对导航系统的需求进行了分析，同时对手术流程进行了设计。为

了保证粒子植入机器人进针时的穿刺安全，对前列腺粒子植入机器人的动力学方

程进行了建模，分析了前列腺粒子植入的手术过程，并对机器人末端粒子植入器

的结构进行了分析。

其次，利用剂量规划系统（TPS）对放射性粒子的位置和数量进行规划。得

到手术规划后，基于ICP点云配准方法开发了光学定位系统下的不同手术工具之

间的位姿变换方法。为了实现精准的粒子植入手术过程，开发了针-孔联合工具

注册方法以及末端粒子植入器自动调姿方法，自动调节穿刺针与穿刺靶板平面的

垂直以及穿刺针的自动对孔。为了将超声图像空间与手术空间相配准，开发了一

种基于定位针的超声图像空间注册方法。由此实现了将导航系统的各个部分相配

准，将各部分的坐标系统一到光学定位仪坐标系下。

然后，对前列腺粒子植入手术术中导航系统的可视化界面进行了设计，并且

在3DSilcer软件中利用患者的术前CT图像对患者的前列腺进行三维重建。利用

患者的经直肠超声图像序列使用TPS系统对患者进行剂量规划，使用剂量规划后

的结果确定了前列腺模型、放射性粒子模型和穿刺靶板之间的相对位置，由此完

成了导航系统的三维可视化设计。

最后，对前文所提出的导航算法进行了实验，并制作硅胶假体进行前列腺粒

子植入机器人粒子自动植入实验，实验表明穿刺精度在0.6mm以内，达到实际使

用要求。但是对于粒子的自动植入策略仍有许多问题，前列腺粒子植入机器人系

统在读取光学定位仪数据的时间间隔以及机械臂不断的启停过程中会影响测量和

运动精度，导致最后的误差过大，接下来将会对整个系统的各个环节误差进行分

-I-

析，从而提升前列腺粒子植入手术精度。

关键词前列腺粒子植入机器人；光学定位系统；三维重建；术中导航；运动分析

-II-

ResearchonIntraoperativeNavigationofProstate

SeedImplantationRobotBasedonOpticalPositioning

System

Abstract

Proximityprostateparticleimplantationroboticsurgicalnavigationsystemisof

greatsignificanceforthetreatmentofprostatecancer.Duetothelackofnavigation

systeminthecurrentstageofprostateparticleimplantationrobot,alargenumberof

surgicaloperationsarenotguided,whichleadstoalargeworkloadofdoctors,easyto

fatigueandlowprecisionofparticleimplantation,anditisdifficulttoensurethe

therapeuticeffect.Inordertosolvetheabove