機器人用與醫學方面的資料

醫療機器人是目前國外機器人研究領域中最活躍、投資最多的方向之壹，其發展前景非常看好。近年來，醫療機器人技術引起美、法、德、意、日等國家學術界的極大關註，研究工作蓬勃興起。二十世紀九十年代起，國際先進機器人計劃(IARP)已召開過多屆醫療外科機器人研討會DARPA己經立項，開展基於遙控操作的外科研究，用於戰傷模擬手術、手術培訓、解剖教學。歐盟、法國國家科學研究中心也將機器人輔助外科手術及虛擬外科手術仿真系統作為重點研究發展的項目之壹在發達國家已經出現醫療外科手術機器人市場化產品，並在臨床上開展了大量的病例應用研究。隨著科學技術的發展, 特別是計算機技術的發展, 醫用機器人在臨床中的作用越來越受到人們的重視。外科手術輔助導航系統作為外科醫生的第三只眼, 可以讓手術醫師看到手術部位的內部結構, 避免了因醫生經驗不足而造成的手術失誤, 使手術更安全、更可靠、更精確、更科學, 具有極其廣闊的應用前景。現在, 它已經成功地應用到神經外科、整形外科、泌尿科、脊椎、耳鼻喉科、眼科、膝關節切除以及腹腔鏡等眾多領域中。由此, 依靠醫學成像、微裝置、傳感器、計算機和機械手等的輔助, 從壹個開放的、完全的人工手術到輔助醫生進行最小侵入性手術。另外, 醫生在選擇最佳的手術路徑、執行復雜的外科手術和提高手術的成功率等方面也受益匪淺。微創外科手術(MIS)技術興起於20世紀80年代,壹般也稱為介入式手術。它借助於各種視覺圖像設備和先進靈巧的手術器械裝備,將手術器械經過小切口進入人體進行治療或診斷。與傳統開放性手術相比,微創手術具有創傷小,可減輕患者痛苦、術後恢復快、有利於提高手術質量和降低醫療社會成本等諸多優點。因此,受到醫生和患者的普遍歡迎,是外科手術發展的必然趨勢。腹腔鏡微創外科手術作為微創手術的代表,是對傳統開放性手術的壹次重大變革。然而腹腔鏡手術在手術中也存在壹些問題。如由醫生在手術臺前操作器械進行手術時,醫生的手與所操作的器械末端的距離壹般有400～500mm,長時間準確把握手術器械會使醫生感到非常疲勞,另外,由於醫生手部的顫抖而傳遞到器械末端的誤差也會隨之增大。而利用機器人技術就可以很好的解決上述問題。因為機器人具有定位準確、大大減低工作強度等優勢,而且,它還可以通過軟件編程實現消顫、提高手術精度。微創外科手術機器人與傳統的工業機器人在結構上相比,系統針對性更強,通常壹種結構只適用於壹種手術操作。對於主從式機器人,在手術中,手術醫生的決策通過主手傳遞到從手,通過監視從手的運動情況,調整或修正控制以達到預期的結果,實現微創手術。由於從手系統直接作用於患者,它的性能高低直接影響整個系統的性能、手術的質量、以及系統的安全性等等。隨著計算機技術的不斷發展, 微型計算機無論從計算速度還是從內存容量上都可以滿足手術導航系統的要求。在我國, 開發基於微型計算機的小型化、低成本、高精度的手術導航系統將是壹個發展趨勢。1、文獻綜述3.1 醫療機器人與其它機器人相比，醫療機器人具有以下幾個特點：①其作業環境壹般在醫院、街道、家庭及非特定的多種場合，具有移動性與導航、識別及規避能力，以及智能化的人機交互界面。在需要人工控制的情況下，還要具備遠程控制能力。②醫療機器人的作業對象是人、人體信息及相關醫療器械，需要綜合工程、醫學、生物、藥物及社會學等各個學科領域的知識開展研究課題。③醫療機器人的材料選擇和結構設計必須以易消毒和滅菌為前提，安全可靠且無輻射。④以人作為作業對象的醫療機器人，其性能必須滿足對狀況變化的適應性、對作業的柔軟性，對危險的安全性以及對人體和精神的適應性等。⑤醫療機器人之間及醫療機器人和醫療器械之間具有或預留通用的對接接口，包括信息通訊接口、人機交互接口、臨床輔助器材接口以及傷病員轉運接口等。從技術上講醫療機器人的發展是建立在以下幾種基本技術的基礎上：它們是機械設計與制造技術、傳感器應用技術、自動控制技術、驅動器技術、人機交互技術。根據用途醫療機器人大致可以分為救援機器人、手術機器人、轉運機器人和康復機器人。手術機器人在具備了機器人的基本特點同時，還有其自身的選位準確、動作精細、避免病人感染等特點。在血管縫合手術時，人工很難進行細於1 mm以下的血管縫合，如果使用手術機器人，血管縫合手術可以達到小於0.1 mm的精度；用手術機器人進行手術避免了醫生直接接觸患者的血液，大大減少了患者的感染危險。商業化的手術機器人最早出現在1994年，由美國Computer Motion公司研制，實質上是壹種聲控腹腔鏡自動“扶鏡手”，命名為AESOP。手術機器人於1997年3月在比利時布魯塞爾St Pierre醫院完成了第壹例腹腔鏡手術——膽囊切除術。1998年，ComputerMotion公司研制的Zeus系統、Intuitive Surgical公司研制的da Vinci系統和endoVia公司研制的Laprotek系統分別獲得了成功。這三個系統均由三大部分組成：醫生操縱臺、機械手和內鏡裝置。Zeus系統采用純信號方式實現醫生操縱臺對機器臂的控制，在傳輸距離上不受視頻延遲的影響。Zeus系統於2001年9月首次成功實現了跨大西洋(美國紐約-法國斯特拉斯堡)的機器人腹腔鏡膽囊切除術。目前，手術機器人不僅完成了普外科，還有腦神經外科、心臟修復、膽囊摘除、人工關節置換、泌尿科和整形外科等方面的手術。盡管如此，手術機器人還有許多方面需要不斷的完善和改進，通過增加“人造視野”系統，可在手術過程中監視術野，輔助術者做出判斷，增加手術的安全性；用軟件來處理觸覺和視覺圖像的整合、分割和合成；提供穩定的觸覺控制，識別不同的人體組織，進行關鍵解剖結構的圖像識別和圖像分割；具有良好的觸覺反饋和位置覺。微型機電技術的不斷深入發展為微小型機器人甚至納米機器人提供了技術支持,它可以直接進入人體器官內部進行工作,完成組織取樣、血管疏通、藥物定點放置、微型手術和細胞操作等普通醫療技術和手段無法完成的工作。目前，國外正在研制和開發體內自主行走式診斷治療、體內微細手術和體內藥物直接投放微型外科手術機器人。醫生用註射器將微型機器人推入人體內部,由它所攜帶的微生物傳感器對人體組織進行檢測，當發現有病變組織時,微型手術機器人對病變組織進行直接手術和藥物註射治療。哈爾濱工業大學機器人研究所成功研制出納米級精密定位系統,在這個系統支持下的納米級高精密微驅動機器人,能對細胞和染色體進行“顯微手術”。納米級機器人可在人體微觀世界行走,隨時清除人體中的壹切有害物質,修復損壞的基因,激活細胞能量,使人不僅僅保持健康,而且延長壽命。醫療機器人將機器人技術應用到醫療領域，極大的推動了現代醫療技術的發展，是現代醫療衛生裝備的發展方向之壹。隨著科學技術的不斷更新、社會的老齡化和現代戰爭的高技術化，以及醫療技術的發展，各療機器人及其輔助醫療技術將得到更深入而廣泛的研究和應用,促進醫療機器人技術的快速發展。3.2 空間定位技術在計算機輔助導航系統中, 空間定位是整個系統的關鍵, 直接關系到整個系統的精度和計算機輔助手術的成敗。其作用就是實時測出手術器械的空間位置和姿態, 根據定位傳感器的不同, 可分為機械定位、超聲定位、電磁定位和光學定位法。（1）機械定位　機械定位是手術導航系統最初的定位方法, 屬於無源定位。定位用機械手至少應有6 個自由度, 且每個關節均有編碼器。和機械手相聯的手術器械的位置和旋轉, 能夠通過機械手的幾何模型和關節編碼器的瞬時值計算出來，典型精度為: 2～3 mm。機械手定位的優點是不會被阻塞, 不會被障礙遮擋, 同時可在特定位置夾住或放置手術器械。缺點是在手術中較為笨拙, 施加在機械手上的壓力可使數據發生變化, 同時存在固定裝置和制動器的位移誤差。機械定位常用於無臂系統的標定和檢查。 (2) 超聲定位通過測量超聲波的傳播時間來測量超聲波發射器與接收器間的距離。在手術器械上放置N (至少大於3) 個發射器, 即可計算出手術器械的位置和姿態。該系統的絕對精度壹般為5mm。超聲波定位的主要問題在於溫度對超聲波的影響、空氣位移、空氣非均勻性以及發射器的大尺寸等。 (3) 電磁定位　在電磁定位系統中, 每個電磁產生線圈定義壹個空間方向, 3 個線圈確定三個空間方向, 然後再根據已知的相對位置關系就可以對目標的空間位置進行定位。電磁定位系統的精度為2mm。電磁定位的精度較高, 又屬於非接觸式定位。但系統磁場對工作空間中的任何金屬物體的引入都很敏感。 (4) 光學定位　光學定位是目前手術導航系統中的主流定位方法。以CCD 攝像機作為傳感器,測量目標為安裝在手術器械上的幾個紅外發光二極管, 通過紅外發光二極管的空間位置, 計算出手術器械的位置和姿態。根據所用攝像機的不同, 光學定位可分為線陣CCD和面陣CCD兩種。面陣CCD 測量系統由兩個面陣CCD 攝像機組成, 采用標準鏡頭, 在圖像中的每個光點定義了空間的壹個投影線, 采用空間兩個攝像機可計算其對應投影線的交點, 獲得點的三維坐標。線陣CCD 測量系統采用柱面鏡頭, 利用3 個相對位置固定的線陣CCD 構成, 被測點與鏡頭的節點軸確定的平面與敏感元件垂直相交處為被測點所成的像, 通過3 個確定的平面相交可以確定被測點的空間位置。由於線陣CCD的分辨率可以做得很高(4096) , 其空間分辨率就很高, 典型的線陣CCD 導航系統精度在0. 5 mm 以內, 而面陣CCD 系統的典型精度為1mm。光學定位系統的優點是精度高, 處理靈活方便,但易受術中手的遮擋、周圍光線及金屬物體鏡面反射的影響。3.2 虛擬現實技術虛擬現實,簡稱VR技術（英文名為Virtual Reality）.這壹名詞是由美國VPL公司創建人拉尼爾在20世紀80年代初提出的，我國著名科學家錢學森將它翻譯為“靈境技術”它是將模擬環境、視景系統和仿真系統合三為壹，並利用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數據服、立體聲耳機、數據手套及腳踏板等傳感裝置，把操作者與計算機生成的三維虛擬環境鏈接在壹起。操作者通過傳感器與虛擬環境交互作用，可獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知，並按照自己的意願去改變的虛擬環境被稱之虛擬現實。