骨科手术机器人.ppt

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1、目录1.引言2.手术机器人构型3.骨科手术机器人4.CAOS系统5.总结引言 随着交通事故的频发和人们运动损伤的增多，创伤已经成为全球的第二大死因。所以，新的骨科手术技术发展就显得更加有益。 医疗机器人，是近十几年来发展比较迅速的一个新的应用领域，大部分是应用计算机，把患者的影像资料如X光片、CT、核磁等进行叠加的分析处理，然后根据分析结果，控制机器臂完成一些医生不能完成或完成得没有机器好的动作和步骤。 先进机器人技术在医疗外科手术规划模拟、微损伤精确定位操作、无损伤诊断与检测、新型手术医学治疗方法等方面得到了广泛的应用，这不仅促进了传统医学的革命，也带动了新技术、新理论的发展。手术机器人构型

2、 计算机辅助骨科手术系统的关键技术包括：手术机器人、医学三维图像建模技术、虚拟手术仿真技术，远程操作网络技术等。 对于手术机器人，其结构由手腕和手臂两部分组成，在手术中的作用是：将手腕末端和手术器械定位到切点;对手术器械定向，使其穿过切点到达手术部位。针对上述要求，对于医疗外科机器人手臂，可以总结出设计的一般要求是:1)易于实现高的定位精度;2)运动直观性强，易于医生进行人机交互;3)在相同结构尺寸下，工作空间尽量大;4)在达到相同工作空间的条件下，手臂本体占据空间小; 为了达到空间一定范围内的任意位置，机器人手臂至少要求有三个自由度。并且根据上述要求我们选择串联机构。机器人典型手臂结构及性能

3、Typical arm structure and capability 根据计算、实验及实践可得，其中的圆柱坐标、SCARA型、直角坐标被认为是较好的结构形式，目前大多数医疗外科机器人采用这三种结构。如瑞士一种用于神经外科立体定向手术的机器人属于直角坐标结构；美国Zeus和Aesop机器人手术系统应用SCARA型；而ROBODOC辅助手术系统就属于圆柱坐标结构。手腕 当被操作物体或工具有姿态要求时，就需要在机器人手臂末端联接实现姿态要求的手腕。为便于控制，减小姿态参数之间的干扰，根据所需要实现的操作来确定手腕关节的构型是非常重要的。 根据并联机构具有刚度大，结构稳定，运动惯性小，精度高等特点

4、，可以采用并联机构作手腕关节。 二自由度手腕串联机构 三自由度并联机构 并联机构 1965 年，德国Stewart发明了六自由度并联机构，并作为飞行模拟器用于训练飞行员。1978年澳大利亚著名机构学教授Hunt提出将并联机构用于机器人手臂。1994年在芝加哥国际机床博览会上首次展出了称为“六足虫”(Hexapod)和“变异型”(VARIAX)的数控机床与加工中心并引起了轰动。串联机构与并联机构的对比基本特征串联机构并联机构设计思想沿笛卡尔坐标系的XYZ轴布置构件，串联连接，切削等负载不分摊承担不沿任何坐标布置构件，并联连接，切削等负载大致均匀分摊刚度低（弹性变形累积、构件除承受拉压力外还受弯矩

5、、扭矩）高（刚度累积，构件之手拉压力）移动部件质量大（通常工件和工作台移动）小（通常工件和工作台不移动）动力学特性差，随着尺寸增加更加恶化好，甚至在尺寸增加时人能保持运动耦合只有少量耦合紧密耦合且非线性误差传播误差累积而放大误差平均二变小精度检定与校正相对简单，已有不少成果可借鉴复杂，研究成果极少坐标变换运算一般不需要需要骨科手术机器人 20世纪80年代，机器人等自动化设备已经在工业领域获得了广泛应用，在操作灵活性、稳定性及准确性方面显示出了明显优势。为了解决外科手术中存在的精度不足，辐射过多、切口较大、操作疲劳等问题，人们开始探讨如何在外科手术中引入机器人技术，改善手术效果。1985年，美国

6、采用Puma560工业机器人完成了脑组织活检中探针的导向定位。1989年，英国的利用改进的6自由度Puma机器人，开展了前列腺切除手术，大大缩短了手术操作时间。1996年德国KuhnC研究了用于微损伤外科的基于虚拟现实的手术训练系统。1992年英国的DaviesBL研究了基于PUMA262的脑外科机器人系统；1997年德国的LuethTC研究了基于并联机器人机构的用于头部外科手术的机器人手术系统；2005美国的计算机辅助整形外科手术研究所、西宾西法尼亚医院和卡内基梅隆大学机器人研究所研制了用于关节整形手术的微型六自由度并联机器人。 哈工大辅助正骨机器人系统 北航 机器人牵引装置 国内也开展了医

7、疗机器人方面的研究工作。哈尔滨工业大学成功研制了基于遥操作技术的辅助正骨机器人系统。北京航空航天大学研制出了国内首台用于医疗接骨的机器人样机。 计算机辅助骨科手术系统均具有以下的优势优势：（1）定位更精准（2）缩短X光照射时间，保护医护人员和病人（3）把握部位更稳（4）改进手术方式，医生们配合更默契（5）解决临床教学和手术培训问题 骨科手术机器人按医生与机器人之间的关系可以分三类：主动型、半主动型和被动型。主动型系统主动型CAOS，即使用机器人自主完成手术过程。世界上第一台临床应用的主动型CAOS是1992年美国Integrated Surgical System公司推出了ROBODOC机器人

8、系统。ROBODOC是在传统工业机器人基础上开发而成的，可以完成全髋关节置换，骸骨替换，髓骨置换及修复和膝关节置换等手术。 该公司还开发了ORTHODOC图像处理系统，根据CT图片进行3D建模和手术规划，为手术提供所有需要的数据，帮助医生完成手术仿真和监控。ROBODOC首先使用术前CT图片规划手术路径，在术中将病体位置与术前CT进行校准，同时在手术过程中机器人和病体通过刚性夹具连接固定。截止1997年1月robodoc系统已完成了850例骨科手术，术后反应良好。Robodoc手术系统德国CASPAR手术系统Mars手术系统半主动型系统 半主动型CAOS中机器人的动作过程由医生参与控制，而医生

9、的动作又会被机器人系统根据规划的路径加以限制。英国ACROBOT系统被动型系统 被动型CAOS系统自身并不进行手术操作，医生具有完全的主动控制权。被动系统的作用是在手术中为医生提供所需的导航信息或提供手术工具，由于其赋予了医生很大的自主权，因此从安全性和实用性来讲是目前被接受程度最高的一类CAOS系统。crigos系统 美国显微外科手术系统 目前，C型臂在我们大中小型医院最为普及，并且一旦出现术中其它特殊情况，仍可采用临时拍摄X光图片加以补偿。C型臂图像导航系统 北航髓内钉锁孔导航系统 关节整形手术系统 而按手术对象分，则可分为：全髋（膝）关节置换手术、骨折治疗、脑外科、脊椎外科手术、以及骨骼

10、整形等。HipNav全膝关节置换系统美国NASA脑外科手术系统美国脊柱手术系统及其测试环境远程手术 手术机器人是通过将术者的手术操作转化为数字信息,传递给机器人的操作臂,控制操作臂来完成手术。2001年9月,在美国纽约的外科医师通过观看电视屏幕操纵机械手,远距离(7000 km外、横跨大西洋，平均延时115ms)遥控位于法国斯特拉斯堡医院手术室里的宙斯机器人,为一位68岁的患者成功进行了腹腔镜胆囊切除术,整个手术仅耗时54min,术后无并发症发生。远程胆囊摘除术 这次命名为“林德伯格手术”的成功,意味着不需移动任何人的位置,世界上任何一个角落的患者欲得到世界上任何一位顶尖专家亲自操作的手术治疗

11、的梦想将成为可能。这是远程手术的一个里程碑,标志外科手术跨时代的飞跃。CAOS系统CAOS的组成1.计算机辅助骨科手术主处理系统。2.成像设备系统：用来提供人体组织器官的解剖结构信息和功能信息。3.立体定位系统：用来对人体组织器官、机器人和手术器械进行定位。4.手术机器人：用来进行术中立体定位和手术干预。 对于CAOS系统的主要组成部分手术机器人，我们有以下要求： 1.选择合适的机构构型：串联机构由于运动范围大、动作灵巧，适合于胸腔手术、腹腔手术等场合应用，用于操持内窥镜或下场的手术器械；并联机构由于结构紧凑、刚性好、精度高、运动范围小，适合于骨科等要求移动量较小、出力大的场合。将串并两结合，

12、发挥二者的优点，是未来医用机械的发展趋势； 2.小型化，结构紧凑，便于安装和维修； 3.符合医生习惯，设计前应充分了解手术过程，个机构适合手术的特点，便于操作； 4.方便消毒，保证系统的安全性；CAOS系统的一般工作步骤1.术前规划(1)获取患者损伤部位相关医学图像；(2)图像处理及骨骼的三维建模；(3)建立假体的三维模型；(4)将假体三维模型与骨骼三维模型进行配准；(5)位置调整与优化；(6)确定手术方案。2.术中干预(1)把患者固定在手术台上并定位；(2)将切割三维模型输入机器人控制器；(3)确定机器人和患者的基准点；(4)机器人或医生执行手术动作；(5)整个手术过程严格监视患者的移动。3

13、.术后评价(1)把机器人移离患者，松开患者；(2)检查手术效果，是否需再次手术；(3)后续观察是否有手术后遗症或不良反应；(4)根据各次临床反应来优化机器人设计。CAOS系统存在的缺陷（1）触觉反馈体系的缺失（2）手术机器人的器械臂固定以后,其操作范围受限；（3）整套设备的体积过于庞大,安装、调试比较复杂；（4）系统的技术复杂,在使用过程中可能发生各种机械故障；（5）手术前的准备及手术中更换器械操作耗时较长 ；（6）安全性问题较为复杂，涉及外科机器人的体系结构、机器人运动的机械约束、多传感器监测等技术,目前还未能够形成一个普遍承认的安全标准。 同时，国内外在机器人辅助骨科手术方面主要是利用机器

14、人辅助医生完成操持器械、导航等功能操作，利用机器人直接完成手术的研究较少。 另一方面，目前医疗机器人设计上主要是利用现有技术进行系统集成，而真正从医用机器人自身角度出发去研究医疗机器人建模、分析、优化等设计理论的较少。由于利用的是通用的机器人技术，必然导致机器人在与医学结合上不够严密，在体积、构型、材料、消毒、透X射线等方面存在一系列的问题，这也是医疗机器人设计中所面临的新问题。总结 全世界已经有很多医院开展了机器骨科手术，虽然机器人手术尚不成熟，但其中机器人手术的成功不仅表明以机器人辅助外科手术是可行的，而且展示了机器人在外科手术中的巨大优势。目前并没有或者相当少基于模块化设计的计算机骨科手术辅助系统，这方面研究人有很大的挑战和机遇。