医用机器人.ppt
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1、机器人引论第9章医用机器人2024/3/11周一1.第9章医用机器人o9.1医用机器人的特点o9.2医用机器人的分类o9.3医用机器人的控制o9.4医用机器人的应用2024/3/11周一2.9.1 医用机器人的特点医用机器人的特点o医用机器人和工业机器人在以下方面具有显著的区别:n(1)直接与人(患者、护理人员等)接触。n(2)作业内容变化无常。n(3)不能发生误动作。n(4)机器人的使用者都是非专业人员。o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。o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
2、点,能大大的提高手术的质量。2024/3/11周一3.9.2 医用机器人的分医用机器人的分类应用领域装置示例检查、诊断基于图像诊断确定病灶位置的装置、确定诊断探头位置的装置、生理检查支援系统治疗手术支援机器人、显微外科支援机器人、放射线治疗标的定位装置等医院内部间接作业检验样本输送装置、食物输送机器人、药品分发机器人康复支援步行训练支援、韧性训练支援自立支援步行支援、动力装置、饮食支援机器人护理支援转移支援装置、环境控制装置医学教育培训心肺移植仿真、内窥镜操作仿真、内窥镜下的手术仿真生物科学支援显微受精支援系统、细胞操作2024/3/11周一4.9.2.1 医用外科机器人医用外科机器人1 计算
3、机外科算机外科o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。o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种高性能的手术器械,它相当于外科医师的一只
4、“新手”。o计算机外科(computeraidedsurgery)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。2024/3/11周一5.2 手手术导航技航技术o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。o手术导航位置测量系统除了对再现性和精度有要求之
5、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。2024/3/11周一6.3 医用外科机器人的分医用外科机器人的分类分类方式种 类功 能按应用形态分类导航机器人手术器械等的辅助定位治疗机器人主动手术钳主从机械手按产生的力分类被动型机器人手术医师动作的约束手术医师操作的修正主动型机器人产生自主力完成动作按控制方式分类术前规划固定作业型由术前图像构成的三维位置数据确定病灶,导引手术器械,或者进行切除作业手术中柔性作业型作为手术的辅助装置,使手术医师的作业更为多样化2024/3/11周一7.4 医用外科机器人系医用外科机器人系统的的总体体结构构
6、o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2024/3/11周一8.o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,研究内容广泛。2024/3/11周一9.9.2.2 康复机器人康复机器人o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,
7、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。o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。2024/3/11周一10.分 类应用领域说 明康复训练机器人身体机能恢复训练上肢康复训练机器人用于手臂、手及腕部的康复训练下肢
8、康复训练机器人用于行走功能康复训练脊椎康复运动训练颈部康复运动训练辅助型康复机器人自立支援机器人辅助或替代残障人士由于身体机能缺失或减弱而无法实现动作,如机器人轮椅、机器人假肢、导盲机器人护理支援机器人用于老年人或残障人士护理作业的机器人,如机器人护士2024/3/11周一11.9.2.3 医学教育机器人医学教育机器人o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。o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
9、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。2024/3/11周一12.9.3 医用机器人的控制医用机器人的控制o医用机器人控制系统应该具有以下特点:o(1)具有开放式系统结构,以利于将来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。o(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
10、且能够提高系统的可靠性。o(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。o(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。o(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,友好的人机界面是医用机器人系统不可缺少的一部分。2024/3/11周一13.o(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
11、置。o医用机器人的控制系统应具有以下功能:n运动控制即位置伺服功能n规划与调度功能n检测功能n交互功能即友好的人机接口n手术导航功能n很高的可靠性和故障处理能力2024/3/11周一14.医用机器人控制系统结构2024/3/11周一15.9.4 医用机器人的医用机器人的应用用9.4.1 医用外科机器人的医用外科机器人的应用用o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 内内窥镜操作手操作手o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
12、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。2024/3/11周一16.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,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
13、干涉,提高了安全性。2024/3/11周一17.2 整形外科手整形外科手术机器人系机器人系统o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。o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
14、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。2024/3/11周一18.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
15、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。2024/3/11周一19.3 穿刺手穿刺手术机器人机器人o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。o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内的磁场造成影响,又不应该受到MRI高强度磁
16、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。2024/3/11周一20.4 遥控操作手遥控操作手术机器人机器人o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
17、以又称为格林系统。格林系统2024/3/11周一21.o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。o虽然格林系统已成功地用于动
18、物,但真正能为人安全地实施手术还需要很长的时间,还有很多问题有待解决。2024/3/11周一22.5 微微创外科手外科手术机器人机器人o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。o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。2024/3/11周一23.微微创外科机器人外科机器人在内在内窥镜手手术中的中的应用用o以腹腔镜手术为例。内窥镜手术支援机器人的自由度构成2024/3/11周一24.微微
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