肺癌无论是在中国还是在世界,都是癌症的第一大杀手。当前CT引导下的经皮胸腔穿刺活检手术是一种重要的诊断方式,该手术目前主要依靠医生徒手进行下针操作,之后再由医学影像进行确认。手术精度低,风险高。导致该手术时间长,容易引起并发症。为了解决上述问题,手术机器人辅助下针技术已经有了多年的研究,其关键技术是解决机器人、穿刺器械、医学影像设备、外部测量设备等多系统间的高精度配准问题,以保证穿刺手术针的位置精度和姿态精度。多系统间的配准的难点在于:1、配准方法精度高且容易实现。2、如何避免机械臂的动态误差对手术针精度的影响。3、方便快捷地验证提出的配准算法的准确性和鲁棒性。针对上述难点1,本课题提出了一种基于红外双目设备的高精度手术机器人配准方法,能够准确计算手术针、CT、机械臂、标记物和红外双目设备之间的多系统变换关系,无需医生手动干预。在术前,手术针的配准上,提出了利用CT图像匹配手术针和标记物的方法。同时提出了一种三步配准法求解机械臂、标记物、红外双目设备之间的关系,其中包括:1、估计机械臂和红外双目设备之间的旋转关系;2、反馈平移运动将标记物在光学定位设备的引导下移动到指定位置;3、通过多个机械臂姿态计算出标记物和机械臂之间的精确关系。针对上述难点2,在术中,本课题提出了一种机械臂的反馈控制方法,能够在不需要校准机械臂参数的情况下,准确控制机械臂将手术针以指定姿态摆放到指定位置,避免了机械臂动态误差带来的干扰。针对难点3,我们设计了一种验证工具,精确测量手术针摆放的位置精度和姿态精度,避免了使用医学影像以产生辐射的方式进行验证。该装置通过多层板多孔径的方式模拟穿刺手术,手术针穿过的层数越多,证明手术针摆放的位置精度和姿态精度越精确。大量实验证明,本课题提出的配准方法,能够实现摆放手术针的位置精度小于0.4mm,姿态误差小于0.1°,从而理论上能够实现在150mm的穿刺距离下,扎中1mm的肿瘤,满足当前胸腔经皮穿刺手术的要求。此外,还设计了一种呼吸运动模拟装置,能够模拟人在自由呼吸时所带来的人体胸腔的扩张运动以及胸腔内肿瘤的运动,为后续在自由呼吸情况下的穿刺工作奠定基础。