1、骨科手術(shù)機器人骨科手術(shù)機器人引言 隨著交通事故的頻發(fā)和人們運動損傷的增多，創(chuàng)傷已經(jīng)成為全球的第二大死因。所以，新的骨科手術(shù)技術(shù)發(fā)展就顯得更加有益。 醫(yī)療機器人，是近十幾年來發(fā)展比較迅速的一個新的應(yīng)用領(lǐng)域，大部分是應(yīng)用計算機，把患者的影像資料如X光片、CT、核磁等進(jìn)行疊加的分析處理，然后根據(jù)分析結(jié)果，控制機器臂完成一些醫(yī)生不能完成或完成得沒有機器好的動作和步驟。第1頁/共35頁引言 隨著交通事故的頻發(fā)和人們運動損傷的增多，創(chuàng)傷已經(jīng) 先進(jìn)機器人技術(shù)在醫(yī)療外科手術(shù)規(guī)劃模擬、微損傷精確定位操作、無損傷診斷與檢測、新型手術(shù)醫(yī)學(xué)治療方法等方面得到了廣泛的應(yīng)用，這不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的革命，也帶動了新技術(shù)、新

2、理論的發(fā)展。第2頁/共35頁 先進(jìn)機器人技術(shù)在醫(yī)療外科手術(shù)規(guī)劃模擬、微損傷精確定位手術(shù)機器人構(gòu)型 計算機輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：手術(shù)機器人、醫(yī)學(xué)三維圖像建模技術(shù)、虛擬手術(shù)仿真技術(shù)，遠(yuǎn)程操作網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。 對于手術(shù)機器人，其結(jié)構(gòu)由手腕和手臂兩部分組成，在手術(shù)中的作用是：將手腕末端和手術(shù)器械定位到切點;對手術(shù)器械定向，使其穿過切點到達(dá)手術(shù)部位。第3頁/共35頁手術(shù)機器人構(gòu)型 計算機輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：針對上述要求，對于醫(yī)療外科機器人手臂，可以總結(jié)出設(shè)計的一般要求是:1)易于實現(xiàn)高的定位精度;2)運動直觀性強，易于醫(yī)生進(jìn)行人機交互;3)在相同結(jié)構(gòu)尺寸下，工作空間盡量大;4)在達(dá)到相

3、同工作空間的條件下，手臂本體占據(jù)空間小;第4頁/共35頁針對上述要求，對于醫(yī)療外科機器人手臂，可以總結(jié)出設(shè)計的一般要 為了達(dá)到空間一定范圍內(nèi)的任意位置，機器人手臂至少要求有三個自由度。并且根據(jù)上述要求我們選擇串聯(lián)機構(gòu)。機器人典型手臂結(jié)構(gòu)及性能Typical arm structure and capability第5頁/共35頁 為了達(dá)到空間一定范圍內(nèi)的任意位置，機器人手臂至少要求 根據(jù)計算、實驗及實踐可得，其中的圓柱坐標(biāo)、SCARA型、直角坐標(biāo)被認(rèn)為是較好的結(jié)構(gòu)形式，目前大多數(shù)醫(yī)療外科機器人采用這三種結(jié)構(gòu)。如瑞士一種用于神經(jīng)外科立體定向手術(shù)的機器人屬于直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)；美國Zeus和Aesop機

4、器人手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用SCARA型；而ROBODOC輔助手術(shù)系統(tǒng)就屬于圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。第6頁/共35頁 根據(jù)計算、實驗及實踐可得，其中的圓柱坐標(biāo)、SCARA手腕 當(dāng)被操作物體或工具有姿態(tài)要求時，就需要在機器人手臂末端聯(lián)接實現(xiàn)姿態(tài)要求的手腕。為便于控制，減小姿態(tài)參數(shù)之間的干擾，根據(jù)所需要實現(xiàn)的操作來確定手腕關(guān)節(jié)的構(gòu)型是非常重要的。 根據(jù)并聯(lián)機構(gòu)具有剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，運動慣性小，精度高等特點，可以采用并聯(lián)機構(gòu)作手腕關(guān)節(jié)。 二自由度手腕串聯(lián)機構(gòu) 三自由度并聯(lián)機構(gòu) 第7頁/共35頁手腕 二自由度手腕串聯(lián)機構(gòu) 并聯(lián)機構(gòu) 1965 年，德國Stewart發(fā)明了六自由度并聯(lián)機構(gòu)，并作為飛行模擬器用于訓(xùn)練飛行員。19

5、78年澳大利亞著名機構(gòu)學(xué)教授Hunt提出將并聯(lián)機構(gòu)用于機器人手臂。1994年在芝加哥國際機床博覽會上首次展出了稱為“六足蟲”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數(shù)控機床與加工中心并引起了轟動。第8頁/共35頁并聯(lián)機構(gòu) 第8頁/共35頁串聯(lián)機構(gòu)與并聯(lián)機構(gòu)的對比基本特征串聯(lián)機構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計思想沿笛卡爾坐標(biāo)系的XYZ軸布置構(gòu)件，串聯(lián)連接，切削等負(fù)載不分?jǐn)偝袚?dān)不沿任何坐標(biāo)布置構(gòu)件，并聯(lián)連接，切削等負(fù)載大致均勻分?jǐn)倓偠鹊停◤椥宰冃卫鄯e、構(gòu)件除承受拉壓力外還受彎矩、扭矩）高（剛度累積，構(gòu)件之手拉壓力）移動部件質(zhì)量大（通常工件和工作臺移動）小（通常工件和工作臺不移動）動力學(xué)特性差，隨著尺寸增加更

6、加惡化好，甚至在尺寸增加時人能保持運動耦合只有少量耦合緊密耦合且非線性誤差傳播誤差累積而放大誤差平均二變小精度檢定與校正相對簡單，已有不少成果可借鑒復(fù)雜，研究成果極少坐標(biāo)變換運算一般不需要需要第9頁/共35頁串聯(lián)機構(gòu)與并聯(lián)機構(gòu)的對比基本特征串聯(lián)機構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計思想沿笛骨科手術(shù)機器人 20世紀(jì)80年代，機器人等自動化設(shè)備已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，在操作靈活性、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性方面顯示出了明顯優(yōu)勢。為了解決外科手術(shù)中存在的精度不足，輻射過多、切口較大、操作疲勞等問題，人們開始探討如何在外科手術(shù)中引入機器人技術(shù)，改善手術(shù)效果。第10頁/共35頁骨科手術(shù)機器人 20世紀(jì)80年代，機器人等自動化設(shè)備已

7、1985年，美國采用Puma560工業(yè)機器人完成了腦組織活檢中探針的導(dǎo)向定位。1989年，英國的利用改進(jìn)的6自由度Puma機器人，開展了前列腺切除手術(shù)，大大縮短了手術(shù)操作時間。1996年德國KuhnC研究了用于微損傷外科的基于虛擬現(xiàn)實的手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)。1992年英國的DaviesBL研究了基于PUMA262的腦外科機器人系統(tǒng)；1997年德國的LuethTC研究了基于并聯(lián)機器人機構(gòu)的用于頭部外科手術(shù)的機器人手術(shù)系統(tǒng)；2005美國的計算機輔助整形外科手術(shù)研究所、西賓西法尼亞醫(yī)院和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機器人研究所研制了用于關(guān)節(jié)整形手術(shù)的微型六自由度并聯(lián)機器人。第11頁/共35頁1985年，美國采用Puma5

8、60工業(yè)機器人完成了腦組織活檢 哈工大輔助正骨機器人系統(tǒng) 北航 機器人牽引裝置 國內(nèi)也開展了醫(yī)療機器人方面的研究工作。哈爾濱工業(yè)大學(xué)成功研制了基于遙操作技術(shù)的輔助正骨機器人系統(tǒng)。北京航空航天大學(xué)研制出了國內(nèi)首臺用于醫(yī)療接骨的機器人樣機。第12頁/共35頁 哈工大輔助正骨機器人系統(tǒng) 計算機輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)均具有以下的優(yōu)勢優(yōu)勢：（1）定位更精準(zhǔn)（2）縮短X光照射時間，保護(hù)醫(yī)護(hù)人員和病人（3）把握部位更穩(wěn)（4）改進(jìn)手術(shù)方式，醫(yī)生們配合更默契（5）解決臨床教學(xué)和手術(shù)培訓(xùn)問題 骨科手術(shù)機器人按醫(yī)生與機器人之間的關(guān)系可以分三類：主動型、半主動型和被動型。第13頁/共35頁 計算機輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)均具有以下

9、的優(yōu)勢優(yōu)勢：（1）定主動型系統(tǒng)主動型CAOS，即使用機器人自主完成手術(shù)過程。世界上第一臺臨床應(yīng)用的主動型CAOS是1992年美國Integrated Surgical System公司推出了ROBODOC機器人系統(tǒng)。ROBODOC是在傳統(tǒng)工業(yè)機器人基礎(chǔ)上開發(fā)而成的，可以完成全髖關(guān)節(jié)置換，骸骨替換，髓骨置換及修復(fù)和膝關(guān)節(jié)置換等手術(shù)。第14頁/共35頁主動型系統(tǒng)第14頁/共35頁 該公司還開發(fā)了ORTHODOC圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)CT圖片進(jìn)行3D建模和手術(shù)規(guī)劃，為手術(shù)提供所有需要的數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生完成手術(shù)仿真和監(jiān)控。ROBODOC首先使用術(shù)前CT圖片規(guī)劃手術(shù)路徑，在術(shù)中將病體位置與術(shù)前CT進(jìn)行校準(zhǔn)，同

10、時在手術(shù)過程中機器人和病體通過剛性夾具連接固定。截止1997年1月robodoc系統(tǒng)已完成了850例骨科手術(shù)，術(shù)后反應(yīng)良好。第15頁/共35頁 該公司還開發(fā)了ORTHODOC圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)CTRobodoc手術(shù)系統(tǒng)德國CASPAR手術(shù)系統(tǒng)第16頁/共35頁Robodoc手術(shù)系統(tǒng)德國CASPAR手術(shù)系統(tǒng)第16頁/共3Mars手術(shù)系統(tǒng)半主動型系統(tǒng) 半主動型CAOS中機器人的動作過程由醫(yī)生參與控制，而醫(yī)生的動作又會被機器人系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃的路徑加以限制。英國ACROBOT系統(tǒng)第17頁/共35頁Mars手術(shù)系統(tǒng)半主動型系統(tǒng)英國ACROBOT系統(tǒng)第17頁/被動型系統(tǒng) 被動型CAOS系統(tǒng)自身并不進(jìn)行手術(shù)操

11、作，醫(yī)生具有完全的主動控制權(quán)。被動系統(tǒng)的作用是在手術(shù)中為醫(yī)生提供所需的導(dǎo)航信息或提供手術(shù)工具，由于其賦予了醫(yī)生很大的自主權(quán)，因此從安全性和實用性來講是目前被接受程度最高的一類CAOS系統(tǒng)。第18頁/共35頁被動型系統(tǒng)第18頁/共35頁crigos系統(tǒng) 美國顯微外科手術(shù)系統(tǒng)第19頁/共35頁crigos系統(tǒng) 目前，C型臂在我們大中小型醫(yī)院最為普及，并且一旦出現(xiàn)術(shù)中其它特殊情況，仍可采用臨時拍攝X光圖片加以補償。C型臂圖像導(dǎo)航系統(tǒng)第20頁/共35頁 目前，C型臂在我們大中小型醫(yī)院最為普及，并且一旦出現(xiàn) 北航髓內(nèi)釘鎖孔導(dǎo)航系統(tǒng) 關(guān)節(jié)整形手術(shù)系統(tǒng) 而按手術(shù)對象分，則可分為：全髖（膝）關(guān)節(jié)置換手術(shù)、骨折

12、治療、腦外科、脊椎外科手術(shù)、以及骨骼整形等。第21頁/共35頁 北航髓內(nèi)釘鎖孔導(dǎo)航系統(tǒng) HipNav全膝關(guān)節(jié)置換系統(tǒng)美國NASA腦外科手術(shù)系統(tǒng)第22頁/共35頁HipNav全膝關(guān)節(jié)置換系統(tǒng)美國NASA腦外科手術(shù)系統(tǒng)第22美國脊柱手術(shù)系統(tǒng)及其測試環(huán)境第23頁/共35頁美國脊柱手術(shù)系統(tǒng)及其測試環(huán)境第23頁/共35頁遠(yuǎn)程手術(shù) 手術(shù)機器人是通過將術(shù)者的手術(shù)操作轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息,傳遞給機器人的操作臂,控制操作臂來完成手術(shù)。2001年9月,在美國紐約的外科醫(yī)師通過觀看電視屏幕操縱機械手,遠(yuǎn)距離(7000 km外、橫跨大西洋，平均延時115ms)遙控位于法國斯特拉斯堡醫(yī)院手術(shù)室里的宙斯機器人,為一位68歲的患

13、者成功進(jìn)行了腹腔鏡膽囊切除術(shù),整個手術(shù)僅耗時54min,術(shù)后無并發(fā)癥發(fā)生。第24頁/共35頁遠(yuǎn)程手術(shù)第24頁/共35頁遠(yuǎn)程膽囊摘除術(shù) 這次命名為“林德伯格手術(shù)”的成功,意味著不需移動任何人的位置,世界上任何一個角落的患者欲得到世界上任何一位頂尖專家親自操作的手術(shù)治療的夢想將成為可能。這是遠(yuǎn)程手術(shù)的一個里程碑,標(biāo)志外科手術(shù)跨時代的飛躍。第25頁/共35頁遠(yuǎn)程膽囊摘除術(shù) 這次命名為“林德伯格手術(shù)”的成功,意味CAOS系統(tǒng)CAOS的組成1.計算機輔助骨科手術(shù)主處理系統(tǒng)。2.成像設(shè)備系統(tǒng)：用來提供人體組織器官的解剖結(jié)構(gòu)信息和功能信息。3.立體定位系統(tǒng)：用來對人體組織器官、機器人和手術(shù)器械進(jìn)行定位。4.

14、手術(shù)機器人：用來進(jìn)行術(shù)中立體定位和手術(shù)干預(yù)。第26頁/共35頁CAOS系統(tǒng)CAOS的組成第26頁/共35頁 對于CAOS系統(tǒng)的主要組成部分手術(shù)機器人，我們有以下要求： 1.選擇合適的機構(gòu)構(gòu)型：串聯(lián)機構(gòu)由于運動范圍大、動作靈巧，適合于胸腔手術(shù)、腹腔手術(shù)等場合應(yīng)用，用于操持內(nèi)窺鏡或下場的手術(shù)器械；并聯(lián)機構(gòu)由于結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、精度高、運動范圍小，適合于骨科等要求移動量較小、出力大的場合。將串并兩結(jié)合，發(fā)揮二者的優(yōu)點，是未來醫(yī)用機械的發(fā)展趨勢； 2.小型化，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝和維修； 3.符合醫(yī)生習(xí)慣，設(shè)計前應(yīng)充分了解手術(shù)過程，個機構(gòu)適合手術(shù)的特點，便于操作； 4.方便消毒，保證系統(tǒng)的安全性；第27

15、頁/共35頁 對于CAOS系統(tǒng)的主要組成部分手術(shù)機器人，我們有CAOS系統(tǒng)的一般工作步驟1.術(shù)前規(guī)劃(1)獲取患者損傷部位相關(guān)醫(yī)學(xué)圖像；(2)圖像處理及骨骼的三維建模；(3)建立假體的三維模型；(4)將假體三維模型與骨骼三維模型進(jìn)行配準(zhǔn)；(5)位置調(diào)整與優(yōu)化；(6)確定手術(shù)方案。第28頁/共35頁CAOS系統(tǒng)的一般工作步驟第28頁/共35頁2.術(shù)中干預(yù)(1)把患者固定在手術(shù)臺上并定位；(2)將切割三維模型輸入機器人控制器；(3)確定機器人和患者的基準(zhǔn)點；(4)機器人或醫(yī)生執(zhí)行手術(shù)動作；(5)整個手術(shù)過程嚴(yán)格監(jiān)視患者的移動。第29頁/共35頁2.術(shù)中干預(yù)第29頁/共35頁3.術(shù)后評價(1)把機器

16、人移離患者，松開患者；(2)檢查手術(shù)效果，是否需再次手術(shù)；(3)后續(xù)觀察是否有手術(shù)后遺癥或不良反應(yīng)；(4)根據(jù)各次臨床反應(yīng)來優(yōu)化機器人設(shè)計。第30頁/共35頁3.術(shù)后評價第30頁/共35頁CAOS系統(tǒng)存在的缺陷（1）觸覺反饋體系的缺失（2）手術(shù)機器人的器械臂固定以后,其操作范圍受限；（3）整套設(shè)備的體積過于龐大,安裝、調(diào)試比較復(fù)雜；（4）系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜,在使用過程中可能發(fā)生各種機械故障；（5）手術(shù)前的準(zhǔn)備及手術(shù)中更換器械操作耗時較長 ；（6）安全性問題較為復(fù)雜，涉及外科機器人的體系結(jié)構(gòu)、機器人運動的機械約束、多傳感器監(jiān)測等技術(shù),目前還未能夠形成一個普遍承認(rèn)的安全標(biāo)準(zhǔn)。第31頁/共35頁CAOS系統(tǒng)存在的缺陷第31頁/共35頁 同時，國內(nèi)外在機器人輔助骨科手術(shù)方面主要是利用機器人輔助醫(yī)生完成操持器械、導(dǎo)航等功能操作，利用機器人直接完成手術(shù)的研究較少。 另一方面，目前醫(yī)療機器人設(shè)計上主要是利用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成，而真正從醫(yī)用機器人自身角度出發(fā)去研究醫(yī)療機器人建模、分析、優(yōu)化等設(shè)計理論的較少。由于利用的是通用的機器人技術(shù)，必然導(dǎo)致機器人在與醫(yī)學(xué)結(jié)合上不夠嚴(yán)密，在體積、構(gòu)型、材料、消毒、透X射線等方面存在一系列的問題，這也是醫(yī)