本书以北京航空航天大学机器人研究所在研究和开发医疗外科机器人过程中所积累的知识和经验为主线，首先总结了医疗外科机器人的发展变革和趋势；其次，从医疗外科机器人的机构分析与本体设计、控制策略与方法、典型影像处理与信息提取方法、手术规划与仿真技术、遥外科技术、人机关系分析等角度对方法和技术进行了详细论述，并从应用角度分析了医疗外科机器人的临床操作规程和注意事项；很后，从产业化的角度，分析了医疗外科机器人的市场前景及创新策略，并对医疗外科机器人的未来发展给出了展望和建议。本书可作为医疗外科机器人研究与开发人员的参考书，对于从事机器人辅助手术的临床医生也具有较高的参考价值。

《21世纪先进制造技术丛书》序
前言
章概述1
1.1机器人的基本概念1
1.2医疗机器人的分类及特点2
1.3医疗外科机器人的概念及特点3
1.4医疗外科机器人系统的历史变革5
1.4.1机器人辅助手术技术5
1.4.2遥外科手术技术9
1.4.3外科导航手术技术14
1.5医疗外科机器人系统的分类19
1.5.1机器人辅助定位系统19
1.5.2机器人辅助操作系统21
1.6医疗外科机器人的发展趋势25
参考文献26
第2章医疗外科机器人的系统结构31
2.1医疗外科机器人系统的功能原理31
2.1.1图像采集与处理单元31
2.1.2定位信息获取单元33
2.1.3配准与空间变换单元35
2.1.4人机交互与显示单元36
2.1.5机器人定位与手术操作单元38
2.2医疗外科机器人的组成结构38
2.2.1医疗外科机器人子系统38
2.2.2机器人软硬件结构40
2.2.3手术器械末端42
2.3医疗外科机器人的关键技术模块42
2.3.1机器人系统42
2.3.2辅助诊断及规划导引42
2.3.3配准与空间映射43
2.3.4手术器械的位姿跟踪43
2.3.5虚拟临场操作44
2.3.6安全保证及人机交互44
2.4医疗外科机器人的特殊性45
第3章医疗外科机器人的机构分析47
3.1医疗外科机器人的机构类型综合与优化47
3.1.1医疗外科机器人的任务分析47
3.1.2医疗外科机器人的机构类型综合49
3.1.3医疗外科机器人的运动学分析56
3.1.4医疗外科机器人的机构优化64
3.2医疗外科机器人工作空间和灵活性分析71
3.2.1基本概念72
3.2.2自由度手腕的灵活性分析73
3.2.3医疗外科机器人灵活工作空间确定77
3.2.4医疗外科机器人灵活工作空间综合79
3.2.5CRAS-BH4机器人灵活空间综合84
3.2.6混联机器人工作空间分析85
3.2.7混联机器人灵活性研究93
第4章医疗外科机器人的控制方法96
4.1医疗外科机器人控制的设计要求96
4.1.1控制系统的技术特点96
4.1.2控制系统的设计要求98
4.1.3控制系统的结构分析98
4.2控制模型分析100
4.2.1系统控制结构100
4.2.2系统控制方式103
4.2.3机器人单关节控制建模103
参考文献107
第5章医疗外科机器人的图像引导技术108
5.1二维医学影像处理与信息提取方法108
5.1.1透视图像失真校正108
5.1.2无失真全景透视图像的拼接方法119
5.2三维医学影像处理与信息提取技术130
5.2.1三维解剖模型的几何形体重建130
5.2.2术中三维透视成像137
5.3手术空间映射方法148
5.3.1成像系统的参数标定方法148
5.3.2基于标记点的空间映射方法161
5.3.3基于双层模板的定位方法166
5.4手术规划与仿真169
5.4.1基于欧拉角的进针路径规划与仿真169
5.4.2基于健侧镜像的骨折复位规划与仿真174
5.5医学影像融合与预测显示176
5.5.1图像融合的概念176
5.5.2仿真环境建模177
5.5.3视频融合与预测显示177
5.5.4分布式仿真181
参考文献183
第6章机器人遥外科技术185
6.1机器人遥外科的应用需求185
6.2机器人遥外科系统体系结构186
6.2.1遥外科系统体系结构现状分析186
6.2.2外科机器人系统的工作过程188
6.3基于Agent的分层控制遥外科系统体系结构189
6.3.1Agent子系统191
6.3.2网络通信子系统193
6.4系统控制模式195
参考文献195
第7章医疗外科机器人的人机交互技术197
7.1医疗外科机器人中的人机交互问题197
7.1.1医疗外科机器人人机交互的必要性197
7.1.2人机交互的概念198
7.1.3人机交互的理论和方法基础200
7.1.4医疗外科机器人领域人机交互的研究内容201
7.2医疗外科机器人的人机交互特点204
7.2.1医疗外科机器人的人机界面204
7.2.2医疗外科机器人的人因学方法204
7.3医疗外科机器人中的层次任务分析方法206
7.3.1层次任务分析方法207
7.3.2作业流程分析及重设计207
7.3.3分析与评价211
7.4医疗外科机器人中的人为失误辨识方法211
7.4.1基于任务分析的失误辨识方法212
7.4.2骨科机器人系统的人为失误辨识212
7.4.3分析与评价216
参考文献216
第8章医疗外科机器人的临床应用218
8.1概述218
8.2机器人辅助有框架立体定向手术219
8.2.1手术系统结构219
8.2.2模拟试验及临床应用220
8.3机器人辅助无框架立体定向手术222
8.3.1手术系统结构222
8.3.2模拟试验及临床应用222
8.4机器人辅助髓内钉远端锁定手术223
8.4.1手术系统结构224
8.4.2操作规范224
8.4.3模拟试验及临床应用225
8.5分析与评价226
参考文献226
第9章未来的技术和产业化发展思考228
9.1产业前景228
9.2产业现状229
9.3现存问题分析230
9.3.1临床应用方面230
9.3.2关键技术方面231
9.4研究热点和发展趋势232
9.5建议与展望233