Navigation and Robotics in Total Joint and Spine Surgery pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Haaker, R. G.

出品人:

页数:566

译者:

出版时间:

价格:$ 168.37

装帧:HRD

isbn号码:9783540029342

丛书系列:

图书标签:

• Navigation surgery
• Robotics
• Total joint replacement
• Spine surgery
• Orthopedics
• Surgical technology
• Minimally invasive surgery
• Computer-assisted surgery
• Biomechanics
• Surgical navigation

深入探索复杂系统的边界：一部聚焦于先进控制理论、人工智能驱动的自主决策与高精度传感技术的专著 导言：新时代的工程范式转变 在当代工程科学与技术的前沿领域，我们正目睹一场深刻的范式转变。传统的、基于明确规则的控制系统正在迅速被更为动态、适应性更强的智能系统所取代。这种转变不仅要求我们对基础数学和物理原理有更透彻的理解，更要求我们在系统集成、数据驱动建模以及实时决策制定方面实现根本性的飞跃。本书旨在系统性地探讨支撑这一飞跃的核心技术集群：先进的非线性控制理论、深度强化学习在复杂环境下的应用，以及超高精度感知与估计的最新进展。 本书并非关注特定医疗器械或手术流程的指南，而是将视角提升至更宏观的工程层面，专注于如何构建和验证那些能够在不确定性、高维空间和时间敏感约束下做出最优决策的计算和物理实体。我们探讨的重点是通用性、鲁棒性与可解释性，这些是未来自主系统在任何高风险环境中（无论是在太空探索、深海作业，还是在极端气候下的基础设施维护）取得成功的基石。 第一部分：先进控制理论的基石与前沿拓展 本部分将系统梳理并深入剖析那些超越经典PID或LQR框架的现代控制理论，特别是针对高维、强耦合和时间延迟系统的解决方案。 第1章：非线性系统的精确建模与状态估计 挑战与方法论： 现实世界中的物理系统往往表现出显著的非线性特征。本章首先回顾李雅普诺夫稳定性理论和微分几何方法在分析系统稳定性方面的作用。核心内容集中于滑模控制（SMC）的最新发展，特别是如何通过设计更平滑的切换函数来减轻抖振现象，同时保持对外部扰动的强大鲁棒性。 接着，我们将详细介绍扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）的局限性，并引入粒子滤波（PF）在处理高度非高斯噪声和多模态不确定性时的优势。此外，我们还将探讨观测器设计，如何利用高增益观测器或其他Luenberger型结构，在传感器信息有限或部分失效的情况下，实时、准确地估计系统内部状态。 第2章：模型预测控制（MPC）的优化与实时性 MPC作为一种强大的前馈-反馈控制策略，其核心优势在于能够明确处理约束条件。本章深入探讨二次规划（QP）和半定规划（SDP）在求解MPC优化问题中的应用。 实时计算的瓶颈与突破： 尤其关注计算复杂度的管理。我们将分析如何利用稀疏化技术和增广拉格朗日方法（ALM）来加速大规模线性化系统的求解速度。对于更复杂的非线性MPC（NMPC），重点讨论一步法（One-Step）与迭代线性化策略的性能权衡，以及如何设计有效的预处理算法以适应嵌入式系统的实时计算资源限制。 第二部分：人工智能驱动的决策与学习控制 本部分聚焦于如何利用数据和试错学习能力，赋予系统自主发现最优控制策略的能力，从而超越预设模型的限制。 第3章：深度强化学习（DRL）在复杂控制任务中的应用 DRL不再是简单的表征学习，而是成为解决高维连续控制问题的新兴工具。本章侧重于算法的工程化实现。 算法精选与改进： 我们详细比较Actor-Critic框架（如A2C, A3C）与基于采样的算法（如DDPG, TD3, SAC）在收敛速度、样本效率和探索-利用平衡上的差异。关键讨论点在于如何设计奖励函数（Reward Shaping）以指导学习过程，避免局部最优陷阱，并确保学习到的策略在物理世界中是安全的。 泛化性与鲁棒性测试： 针对“Sim-to-Real”问题，本章提出了领域随机化（Domain Randomization）的量化方法，以及如何在训练过程中主动注入噪声和模型不确定性，以确保策略能平稳迁移到物理硬件上。 第4章：安全强化学习与可解释性 在涉及关键任务的自主系统中，仅仅“表现良好”是远远不够的；系统必须是可验证的和安全的。 安全约束的内化： 本章探讨约束强化学习（CRL）和基于成本函数的学习，如何将硬性安全限制（如速度上限、关节力矩限制）直接编码到优化目标中，而不是仅仅依赖后处理的保护机制。介绍拉格朗日松弛和概率约束在确保高置信度安全操作方面的技术细节。 策略的可解释性： 深入研究归因方法（Attribution Methods），如梯度加权类激活映射（Grad-CAM）的变体，应用于分析深度神经网络控制器的决策依据。目标是为工程师提供工具，理解系统何时为何做出特定动作，这是系统调试和认证的关键一步。 第三部分：高精度感知、数据融合与系统集成 自主系统性能的上限往往受限于其对环境的感知精度。本部分探讨如何从嘈杂、异构的数据源中提取高保真环境模型。 第5章：先进传感器的信息融合与不确定性量化 本书关注的传感器范畴超越了传统的惯性测量单元（IMU）和编码器。重点在于激光雷达（LiDAR）点云数据和高分辨率视觉系统的处理。 概率数据关联与状态估计： 详细介绍扩展信息滤波（EIF）和因子图优化（Factor Graph Optimization）在多传感器时间同步和空间配准中的应用。讨论贝叶斯滤波与深度学习网络相结合的混合架构，如何从原始高维数据中直接估计出参数化的环境特征（如几何形状、材料属性）。 时间同步与延迟补偿： 探讨基于事件的传感（Event-Based Sensing）如何减轻传统基于帧的系统的动态范围限制和时间延迟问题，并阐述如何将事件流与经典数据源进行精确的时间对齐和融合。 第6章：数字孪生与高保真仿真环境的构建 成功的自主系统依赖于精确的“数字孪生”来进行离线验证和策略训练。 物理模型的保真度： 介绍如何使用有限元分析（FEA）结果来校准和增强刚体动力学模型，特别是对柔性、弹性变形和接触动力学的建模。讨论系统辨识（System Identification）技术，利用实验数据迭代优化仿真模型参数，以确保仿真结果与物理现实的高度一致性。 大规模、高并发仿真： 探讨GPU加速仿真框架（如基于CUDA或DirectX/Vulkan）在运行数以万计的并行场景测试中的效率提升，以及如何将这些仿真环境无缝集成到DRL训练管道中，以实现大规模的系统验证。 结论：迈向全自主的通用平台 本书所涵盖的技术，从底层的非线性控制到顶层的智能决策与高精度感知，共同构筑了下一代自主系统工程的蓝图。我们探讨的重点始终是跨领域、通用化的工程方法论，旨在解决任何复杂动态系统在不确定环境中实现鲁棒、高效操作的核心挑战。最终目标是开发出不仅能完成任务，而且能理解其行为的计算实体，为未来复杂工程系统的设计与部署提供坚实的技术基础。

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这本书的名字听起来就充满了科技感与未来感，我个人对于外科手术的精准化和智能化一直抱有极大的兴趣。在医学领域，特别是骨科和脊柱外科这类需要精细操作的学科，微创手术和机器人辅助手术的进步无疑是革命性的。我想象这本书会深入探讨如何通过导航系统，让外科医生在手术过程中拥有“透视眼”，能够实时追踪器械的位置，精准避开神经和血管，从而最大程度地减少对患者的创伤。同时，机器人技术在其中扮演的角色也令人期待，它或许能赋予医生超越人类生理极限的稳定性和精确性，完成一些过去难以想象的复杂手术。我特别想知道，书中会涉及哪些具体的导航技术，比如术前影像融合、术中实时追踪，以及它们是如何与机器人手臂协同工作的。另外，对于新手外科医生来说，这类技术的学习曲线可能比较陡峭，书中是否会有关于培训和实践的指导，帮助他们更快地掌握这些先进技术，也是我关注的重点。这本书的出现，在我看来，预示着骨科和脊柱外科手术正在迈向一个更加安全、高效、微创的新时代。

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《Navigation and Robotics in Total Joint and Spine Surgery》这个书名，让我对现代骨科与脊柱外科的精密化发展充满了想象。一直以来，我都很关注医学领域的技术革新，尤其是那些能够显著提升患者治疗效果和手术安全性的进步。这本书，在我看来，正是聚焦于这一激动人心的前沿领域。我推测，它会深入探讨如何将先进的导航技术与机器人辅助系统相结合，应用于全关节置换和脊柱手术中。这其中可能涵盖了导航系统的原理，比如如何通过术前影像数据与术中实时影像数据的融合，为外科医生提供精准的手术路径规划和器械定位。而机器人技术，则可能在提供超乎寻常的稳定性和重复性方面发挥关键作用，从而提升手术的精度和效率。我尤其好奇书中会详细介绍哪些具体的导航技术和机器人平台，以及它们在不同类型的手术中，例如髋关节置换、膝关节置换以及各类脊柱减压融合术中的具体应用方式和优势。此外，我也希望能了解到，这些技术在降低手术风险、减少创伤、加速术后康复等方面，究竟能带来多大的实际效益。这本书的出现，对我来说，无疑是了解骨科与脊柱外科未来发展方向的一个重要窗口。

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对于《Navigation and Robotics in Total Joint and Spine Surgery》这个书名，我首先想到的是它所代表的医学领域的革新。过去，全关节置换和脊柱手术很大程度上依赖于医生的经验和手感，虽然已经取得了长足的进步，但其精准度和可重复性仍然面临挑战。而“导航”和“机器人”这两个词汇的结合，则暗示着手术正在向着更加智能化、数字化的方向发展。我推测，这本书会深入剖析这两项技术在骨科和脊柱外科领域的核心应用。例如，导航技术是如何通过术前影像（如CT、MRI）与术中实时影像进行融合，为手术提供精确的空间定位和引导的。而机器人技术，又如何通过其强大的稳定性和灵活性，辅助医生完成更加精细的操作，减少术中震颤带来的误差。这本书的内容，在我看来，或许会涵盖从基础理论到临床实践的方方面面，包括不同导航系统的硬件构成、软件算法，以及机器人系统的机械设计、控制系统等。我尤其希望能了解到，这些先进技术在提高手术成功率、缩短恢复时间、减少并发症方面的具体表现和案例研究。这本书的出现，无疑为行业内的专业人士提供了一个了解最新技术动态和发展趋势的重要参考。

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读到这本书的名字《Navigation and Robotics in Total Joint and Spine Surgery》，我脑海里立刻浮现出一幅画面：手术室里，明亮的灯光下，一台精密的机器人手臂正有条不紊地执行着医生的指令，而医生则通过高清的屏幕，借助先进的导航系统，如同游戏中的高玩一般，精准地将植入物放置在预设的位置。这种场景，在科幻电影里并不罕见，但将其应用于现实的外科手术，尤其是像全关节置换和脊柱手术这样对精度要求极高的领域，着实令人兴奋。我猜想，这本书的核心内容会围绕着如何将最新的导航技术和机器人辅助系统融入到实际的手术流程中。或许会详细介绍不同类型导航系统的原理、优缺点，以及它们在特定手术中的应用案例。比如，在膝关节或髋关节置换手术中，导航系统如何帮助实现精确的截骨和假体安放；在脊柱融合术中，导航系统又如何引导椎弓根螺钉的精确植入，规避重要的神经结构。我非常好奇，书中会探讨哪些具体的机器人平台，以及它们与导航系统的集成程度。这本书的存在，对我而言，不仅仅是一本技术手册，更是一扇窥探未来外科手术发展方向的窗口，让我对医学科技的进步充满期待。

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书名《Navigation and Robotics in Total Joint and Spine Surgery》立刻激起了我对现代外科手术进步的强烈好奇心。在我的印象里，全关节置换手术和脊柱手术都是对精准度有着极高要求的复杂手术，任何微小的偏差都可能导致不良后果。因此，引入“导航”和“机器人”技术，在我看来，是外科领域的一大飞跃。我猜想，这本书会详细阐述这些前沿技术如何改变传统的手术模式。例如，导航系统是如何将患者的解剖结构进行三维重建，并在术中实时显示手术器械的位置，从而帮助医生做出更准确的决策。而机器人技术，又如何通过其预设的程序和精密的机械臂，完成高度重复性的精细操作，甚至超越人手的极限。我非常期待书中能看到大量的真实案例分析，展示这些技术在实际手术中的应用效果，比如在假体植入的对位对线、神经结构的保护等方面，究竟能带来多大的提升。同时，我也想知道，书中是否会探讨这些技术在不同类型的手术中的适应性，以及它们在成本效益、学习曲线等方面的考量。这本书的出版，对我而言，代表着外科手术正在迈向一个更加科技化、精益化的新阶段。

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