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1、机器人引论,第9章 医用机器人,第9章 医用机器人,9.1 医用机器人的特点 9.2 医用机器人的分类 9.3 医用机器人的控制 9.4 医用机器人的应用,9.1 医用机器人的特点,医用机器人和工业机器人在以下方面具有显著的区别： (1) 直接与人（患者、护理人员等）接触。 (2) 作业内容变化无常。 (3) 不能发生误动作。 (4) 机器人的使用者都是非专业人员。 医用机器人的对象主要是病人，所关注的是人的生命，所以对机器人的安全性方面有很高的要求。 除了安全性之外，医用机器人还具有定位准确、状态稳定、可以实现手术微创、缩短医疗时间、降低医疗成本等特点，能大大的提高手术的质量。,9.2 医用
2、机器人的分类,9.2.1 医用外科机器人 1 计算机外科 在术前利用X射线、MRI-CT等各种三维医用图像测量技术，获得器官的三维构造信息，并据此建立对象的立体形状模型。另外，还可以利用质子射线断层成像法（PET）、核磁共振图像（f-MRI）、脑磁场测量（MEG）等检测方法把功能信息和解剖学信息综合起来建模，再通过反复的外科手术仿真，建立手术综合规划。 利用术前的手术规划信息控制高精度的机械系统，有利于高精度手术的实施，甚至有人正在将此技术应用于远程手术（手术医师与患者不在同一物理空间中）。所谓不在同一物理空间中并非指简单的距离分隔，还包括医师的手臂无法到达部位的作业。手术支援机器人就是这样一
3、种高性能的手术器械，它相当于外科医师的一只“新手”。 计算机外科（computer aided surgery）就是在上述机电一体化技术驱动下的外科手术的支援技术。,2 手术导航技术 手术导航系统的功能是在计算机的显示器上显示出断层图像或三维CG，在手术操作过程中把手术部位的图像实时显示在CG上。由于手术医师能够自如地掌握操作部位及其周围的三维结构，因此可以提高手术的安全性、效率和有效性。目前有人正在研究一种更高级的手术导航技术，即不仅仅在画面上提供上述信息，而且把医师观察到的实际空间与虚拟空间信息正确地重叠在一起，以构建用于手术空间导航信息提示的超现实感环境。 手术导航位置测量系统除了对再现
4、性和精度有要求之外，由于它是在手术空间中使用的，所以有杀菌的要求。目前使用的三维位置测量系统有：机械式、光学式和磁性式。,3 医用外科机器人的分类,4 医用外科机器人系统的总体结构 医用外科机器人系统集中了多个领域的科学和工程技术，它既不同于工业机器人系统主要完成重复性操作，也不像智能机器人系统具有高度的自主性。由于外科手术比较复杂，外科手术机器人系统工作过程一般可以分为数据获取、术前处理和术中处理三大阶段。,医用外科机器人系统工作过程,医用外科机器人系统是一个多学科的交叉研究领域，它涉及机器人结构、机器人控制、通讯技术、计算机图像处理、计算机图形学、虚拟现实技术、医学等等，涉及面广，研究内容
5、广泛。,9.2.2 康复机器人 康复机器人作为一种自动化康复医疗设备，它以医学理论为依据，帮助患者进行科学有效的康复训练，可以使患者的运动机能得到更好的恢复。医学理论和临床医学证明，肢体损伤或偏瘫患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，正确、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。 康复机器人由计算机控制，并配以相应的传感器和安全系统，康复训练在设定的程序下自动进行，可以自动评价康复训练效果，根据患者的实际情况调节运动参数，实现最佳训练。康复机器人技术在欧美等国家得到科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了相关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。,9.
6、2.3 医学教育机器人 随着动物保护意识的增强，今后利用动物实验辅助医学教育的限制会日渐增多。与其矛盾的是，医疗器械越先进，器械操作的训练要求也就越高。实际上，人们开发了各种手术训练的仿真器，如心肺移植手术训练仿真器等。 这些系统在计算机内建立了脏器的三维模型和力学特性模型，这不仅可以仿真随操作产生的图像变化，也可以将手术者能够感觉到的反作用力通过机器人手臂向医师反馈，这样可以通过治疗仿真进行手术训练。例如，具有大肠力学模型和可提示力觉机构的大肠镜插入训练系统，以及各种内窥镜手术仿真器械等。,9.3 医用机器人的控制,医用机器人控制系统应该具有以下特点： (1) 具有开放式系统结构，以利于将来
7、的发展需要对机器人控制系统进行扩充，并能与普通PC机兼容以方便用户使用。 (2) 要有合理的模块化设计。对于医用机器人，不仅要求其机械结构能够做到模块化设计，更要求其控制系统能够根据系统要求和电气特性以及软件结构做到模块化设计。模块化设计不仅方便安装和系统维护，而且能够提高系统的可靠性。 (3) 具有有效的任务划分。不同的子任务由不同的功能模块来实现，这样有利于修改、 添加和配置系统的功能。 (4) 实时性、多任务要求。机器人控制器能在确定的时间内完成对外部中断的处理， 并 且可以使多个任务同时进行。 (5) 友好的人机接口。形象直观的人机接口可以方便操作人员对机器人进行操作，友好的人机界面是
8、医用机器人系统不可缺少的一部分。,(6) 有时具有手术导航系统。根据术前医学图像判断病变位置和大小，利用病人体表标志点确定进针位置；建立病灶靶点在二维图像和人体内部的位置关系；手术中，在B超、X光、CT或MRI图像引导下，将手术器械扎入患者体内病变位置。 医用机器人的控制系统应具有以下功能： 运动控制即位置伺服功能 规划与调度功能 检测功能 交互功能即友好的人机接口 手术导航功能 很高的可靠性和故障处理能力,医用机器人控制系统结构,9.4 医用机器人的应用,9.4.1 医用外科机器人的应用 医用外科机器人系统是用于医疗外科手术，辅助医生进行术前诊断和手术规划，在手术中提供可视化导引或监视服务功
9、能，辅助医生高质量地完成手术操作的机器人集成系统。 1 内窥镜操作手 在腹腔镜手术中，主刀医师在内窥镜的视野范围内实施各种外科处置，操作内窥镜的任务通常交给助手完成。但助手在保持内窥镜的时候难免手颤动，由此会造成图像的模糊。因此在腹腔镜手术中出现了内窥镜机械手，这是一个依据医师的操作保持内窥镜（腹腔镜等）位置的机械手系统。,右图为小林等开发的腹腔镜手术内窥镜操作机械手系统。该系统考虑了安全、洗净、消毒和操作性等多个因素。机器人采用5连杆机构，它的组成部分有球形关节部分（用于抓取腹腔壁套针）、驱动部分、操作交互界面等。5连杆机构的作用是从物理上把驱动部分与患者隔开，并增加了内窥镜的自动调焦,功能
10、，克服传统内窥镜必须进行前后移动才能缩放病灶图像的缺点。这样，机械手的动作范围被约束在有限的二维平面内，大大降低了医师、患者和机械手之间的干涉，提高了安全性。,2 整形外科手术机器人系统 在整形外科中，术前诊断可以获得对象部位的三维位置和形状测量结构，再借助于术前规划手术机器人系统，就可以在手术中将它稳定地再现出来。如在日本人工股关节置换手术中，最早由大阪大学研发的系统按照术前规划正确地实施了切削骨骼的手术，其结果是人工关节植入骨骼的精度比传统手术更高。 德国Berlin大学长期开展医用外科机器人的研究工作，他们分别研究了机器人在颌面整形、牙科整形、放射外科中的应用。系统采用一套光电系统作为手
11、术导航工具，机器人则采用改造后的PUMA工业机器人。他们还开发了多种适合于机器人末端夹持的手术工具。他们在计算机辅助手术导航系统、手术工具设计方面比较独特，但是在医用外科机器人本体设计方面研究不多。,我国北京大学口腔医院、北京理工大学等单位联合成功研制出口腔修复机器人，如图所示。这是一个由计算机和机器人辅助设计、制作全口义齿人工牙列的应用试验系统。,口腔修复机器人,该系统利用图像、图形技术来获取生成无牙颌患者的口腔软硬组织计算机模型，利用自行研制的非接触式三维激光扫描测量系统来获取患者无,牙颌骨形态的几何参数，采用专家系统软件完成全口义齿人工牙列的计算机辅助统计。另外，发明和制作了单颗塑料人工
12、牙与最终要完成的人工牙列之间的过渡转换装置可调节排牙器。利用机器人来代替手工排牙，不但比口腔医疗专家更精确地以数字的方式操作，同时还能避免专家因疲劳、情绪、疏忽等原因造成的失误。,3 穿刺手术机器人 众所周知，不仅在外科处置中，也在内科处置中广泛使用穿刺。例如，整形外科的神经根传导阻滞法、椎体成形手术、脑神经外科的淤血抽吸、肝脏外科的无线电波烧灼手术等，都用到穿刺手术。穿刺处置通常是在X射线透视或超声波图像的引导下进行的，最近出现了在MRI摄影引导下实施的趋势。 这种机械手必须设置在图像设备的内部，因此既要求它小型化，又不得影响图像质量。如果机器人在MRI装置中工作，它既不应该对MRI内的磁场
13、造成影响，又不应该受到MRI高强度磁场的影响，因此它的结构材料都应该是非磁材料。显然电磁式电机不适合做它的驱动器，应该改成超声波电机或水压驱动马达等。,4 遥控操作手术机器人 目前世界上至少有10个研究小组正在从事远距离外科手术系统的研究工作。美国Berkeley大学系统地开展了带有力反馈和立体远程触觉的远程医疗外科机器人的 研究，系统包括两台带有灵巧手及,触觉传感器的机械臂、力和触觉反馈设备、改进的成像和三维显示系统，所有的设备都由计算机控制。其研究研究目标是使医生能够微创伤地完成复杂的外科手术。斯坦福研究所经过多年的努力，终于研制出了临场感远程外科手术系统。它是由菲利普格林先生发明的，所以
14、又称为格林系统。,格林系统,格林系统是让外科医生坐在一个大操纵台前，带上三维眼镜，盯着一个透明的工作间，观看手术室内立体摄像机摄录并传送过来的手术室和病人的三维立体图像。与此同时，外科医生的两手手指分别勾住操纵台下两台仪器上的控制环。仪器中的传感器可测量出外科医生手指的细微动作并把测量结果数字化，随后传送到两只机械手上，机械手随外科医生动作，为病人作手术。声频部分能同时传来手术所发出的所有声音，使人有亲临其境之感。虽然使用格林系统，外科医生是在病人图像上作手术，但感觉却与普通手术无异。机械手还会通过传感器把手术时的所有感觉反馈给外科医生。 虽然格林系统已成功地用于动物，但真正能为人安全地实施手
15、术还需要很长的时间，还有很多问题有待解决。,5 微创外科手术机器人 微创外科手术是在病人身体上打开一个或几个小孔，外科医生借助于各种视觉图像设备和先进灵巧手术器械装备，将手术器械经过小切口进入人体进行治疗或诊断。与传统手术相比，微创外科手术对健康组织的创伤小，并且病人体表伤口明显缩小。 微创外科手术可以分为内窥镜引导的微创手术和体外图像引导的微创手术两种类型。,微创外科机器人在内窥镜手术中的应用 以腹腔镜手术为例。,内窥镜手术支援机器人的自由度构成,微创外科机器人在整形手术中的应用 微创外科机器人在整形手术中得到了广泛的应用，因为在进行骨骼切割和关节置换时，机器人的操作精度要远远高于医生，而且
16、手术的自动化程度也大大增加。,其中具有代表性的系统是美国加利福尼亚大学RH.Taylor开发的用于关节置换手术的ROBODOC机器人系统。 微创外科机器人还被用于脊椎的修复。,脊椎修复机器人,微创外科机器人在立体定向手术中的应用 立体定向外科手术是近年来迅速发展的微创伤外科手术方法，但由于在手术中一直需要框架定位并支撑手术工具，从而给病人带来了一定痛苦和心理恐惧。另外人工调整导向装置，手续烦琐，消耗时间，精度有限。 微创外科机器人在手术中主要用于导航定位和辅助插入手术工具，可以使病人摆脱框架的痛苦，同时机器人辅助立体定向外科手术还具有操作稳定，定位精度高的优点。 微创外科机器人在其它手术中的应用 英国的Davies.B等人开发了用于切除前列腺瘤的微创外科机器人，1990年在世界上首次实现利用机器人从病人身体切除前列腺瘤组织的手术。 在心胸外科方面，美国的J.Kenneth Salisbury研究了用于心瓣修补手术的微创外科机器人系统。常规手术需要开胸，而利用机器人的微创手术只需要开三个小洞，让工具进入。,9.4.2 康复机器人的应用 1 康
