ITEM METADATA RECORD
Title: Dynamic Registration and High Speed Visual Servoing in Robot-Assisted Surgery (Dynamische registratie en visuele servoregeling bij hoge snelheid in robot ondersteunde chirurgie)
Other Titles: Dynamic Registration and High Speed Visual Servoing in Robot-Assisted Surgery
Authors: Blankenstein, Andrea; M0333325
Issue Date: 11-Jun-2008
Abstract: Robot ondersteunde chirurgie ondersteunt de chirurg met intelligente werktuigen om de kwaliteit van medische ingrepen te verbeteren. In de hier gepresenteerde dissertatie worden robotsystemen uitgebreid met zogenaamde vaardigheden. Dit zijn aanvullende eigenschappen die het het robotsysteem mogelijk maken op veranderingen in de omgeving te reageren. Door de terugkoppeling van sensordata krijgt de robot de noodzakelijke informatie om de geplande trajecten aan te passen aan de veranderde condities. Als opbouw wordt een drielagen architectuur bestaande uit procedure, vaardigheid en taak ingevoerd.Twee vaardigheden tonen aan dat het mogelijk is beeldsensoren in de regelstrategie van het chirurgische robotsysteem te integreren. Deze regeling van de robot met behulp van beeldinformatie heet visuele servoregeling. Deze wordt aangewend voor twee robot ondersteunde chirurgische ingrepen waarbij de compensatie van bewegingen nodig is.De eerste vaardigheid, dynamische registratie in de orthopedische chirurgie, houdt zich bezig met de compensatie van onbekende bewegingen van het anatomische object. Het doel is de invasieve fixatie van het object met behulp van botschroeven tijdens robot ondersteunde chirurgie te verhinderen. Een semi-actief systeem staat ter beschikking dat de chirurg met de hand beweegt. Dit robotsysteem wordt uitgerust met een aanvullende beeldterugkoppeling. De positieveranderingen van het anatomische object worden door de beeldsensor geregistreerd en aan de besturing van de robot doorgegeven. In een haalbaarheidsstudie worden drie verschillende systemen getest op hun geschiktheid voor orthopedische ingrepen. Een freesexperiment toont aan dat het anatomische object zodanig op niet-invasieve wijze kan worden ingespannen, dat geen hoogfrequente vibraties ontstaan.De tweede vaardigheid, visuele servoregeling met ultrasone motoren onder hoge snelheid, houdt zich bezig met de uitbreiding van de regeling van een teleoperatiesysteem. Deze compenseert de fysiologische bewegingen die door hartslag en ademhaling veroorzaakt worden gedurende cardiale chirurgie. Het zwaartepunt ligt op de integratie van het dynamische model van de beeldsensor in de servoregelkring. Het doel is een optimaal prestatievermogen van het regelsysteem onder handhaving van de stabiliteit te bereiken. Als dynamisch model wordt een middelwaardefilter voorgesteld. Deze handelwijze wordt door experimenten met een ultrasone motor gerechtvaardigd. Twee verschillende regelstrategieën worden ontwikkeld, die met behulp van twee ultrasone motoren worden getest. Aangetoond wordt dat het essentieel is de dynamica van de beeldsensor in een servoregeling die onder hoge snelheid werkt in beschouwing te nemen.
Table of Contents: Acknowledgements I
Abstract III
Beknopte samenvatting V
Kurzfassung VII
Table of contents XI
List of Figures XIV
List of Tables XV
Abbreviations and List of symbols XVII
1 Overview 1
1.1 Approach 2
1.2 Contributions of this thesis 3
1.3 Outline 5
2 Robot-assisted surgery 7
2.1 Introduction 7
2.2 Classification of robot-assisted surgery systems 8
2.3 Workflow of a robot-assisted surgery procedure 17
2.4 Three level architecture 19
2.5 Critical view on robot-assisted surgery systems 21
2.6 Summary 23
3 Control Theory 25
3.1 Introduction 25
3.2 Basic terminology of robotics 26
3.3 Task specification methodology 29
3.3.1 Task frame formalism 29
3.3.2 Constraint-based task formalism 30
3.4 Visual Servoing 31
3.4.1 Introduction 31
3.4.2 Camera calibration 32
3.4.3 Classifications of visual servoing systems 33
3.5 Summary 36
4 Dynamic registration in robot-assisted TKA 39
4.1 Introduction 39
4.2 Total knee arthroplasty 40
4.2.1 Conventional TKA 40
4.2.2 Robot-assisted orthopaedic surgery 45
4.2.3 Previous work at K.U. Leuven 48
4.3 Introduction to dynamic registration 53
4.3.1 Motivation for dynamic registration 53
4.3.2 Frames and transformations 55
4.3.3 Flow of the robot-assisted intervention 57
4.4 Control structure 63
4.4.1 Enhancement of the hybrid force/velocity control 63
4.4.2 Constraint-based task specification 67
4.5 Experiments 69
4.5.1 Introduction 69
4.5.2 Results for “System 1” 76
4.5.3 Results for “System 2” 80
4.5.4 Results for “System 3” 82
4.6 Conclusions 89
5 High speed visual servoing with ultrasonic motors 93
5.1 Introduction 93
5.2 Technical background 94
5.2.1 High speed visual servoing and dynamic effects 94
5.2.2 Motion compensation in robot-assisted surgery 99
5.2.3 Ultrasonic piezo motors 102
5.3 Identification of the camera model 105
5.3.1 Theory 105
5.3.2 Approach and set-up 108
5.4 High speed visual servoing control 115
5.4.1 Introduction 115
5.4.2 Deadbeat control 115
5.4.3 RST- control 117
5.5 Experiments 119
5.5.1 Introduction 119
5.5.2 Rotational piezo 120
5.5.3 Linear piezo 123
5.6 Conclusions 126
6 Conclusions and Future prospects 129
6.1 Conclusions 129
6.2 Future prospects 133
References 137
Curriculum Vitae I
Nederlandse samenvatting - Summary in Dutch V
Deutsche Zusammenfassung - Summary in German XXXVII
Publication status: published
KU Leuven publication type: TH
Appears in Collections:Production Engineering, Machine Design and Automation (PMA) Section
Biomechanics Section

Files in This Item:
File Description Status SizeFormat
thesis_Andrea_Blankenstein.pdf Published 3751KbAdobe PDFView/Open

 


This item is licensed under a Creative Commons License
Creative Commons

All items in Lirias are protected by copyright, with all rights reserved.