機(jī)器人引論第9章醫(yī)用機(jī)器人醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第1頁(yè)第9章醫(yī)用機(jī)器人9.1醫(yī)用機(jī)器人特點(diǎn)9.2醫(yī)用機(jī)器人分類(lèi)9.3醫(yī)用機(jī)器人控制9.4醫(yī)用機(jī)器人應(yīng)用醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第2頁(yè)9.1醫(yī)用機(jī)器人特點(diǎn)醫(yī)用機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人在以下方面含有顯著區(qū)分：(1)直接與人（患者、護(hù)理人員等）接觸。(2)作業(yè)內(nèi)容改變無(wú)常。(3)不能發(fā)生誤動(dòng)作。(4)機(jī)器人使用者都是非專(zhuān)業(yè)人員。醫(yī)用機(jī)器人對(duì)象主要是病人，所關(guān)注是人生命，所以對(duì)機(jī)器人安全性方面有很高要求。除了安全性之外，醫(yī)用機(jī)器人還含有定位準(zhǔn)確、狀態(tài)穩(wěn)定、能夠?qū)崿F(xiàn)手術(shù)微創(chuàng)、縮短醫(yī)療時(shí)間、降低醫(yī)療成本等特點(diǎn)，能大大提升手術(shù)質(zhì)量。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第3頁(yè)9.2醫(yī)用機(jī)器人分類(lèi)應(yīng)用領(lǐng)域裝置示例檢驗(yàn)、診療基于圖像診療確定病灶位置裝置、確定診療探頭位置裝置、生理檢驗(yàn)支援系統(tǒng)治療手術(shù)支援機(jī)器人、顯微外科支援機(jī)器人、放射線治療標(biāo)定位裝置等醫(yī)院內(nèi)部間接作業(yè)檢驗(yàn)樣本輸送裝置、食物輸送機(jī)器人、藥品分發(fā)機(jī)器人康復(fù)支援步行訓(xùn)練支援、韌性訓(xùn)練支援自立支援步行支援、動(dòng)力裝置、飲食支援機(jī)器人護(hù)理支援轉(zhuǎn)移支援裝置、環(huán)境控制裝置醫(yī)學(xué)教育培訓(xùn)心肺移植仿真、內(nèi)窺鏡操作仿真、內(nèi)窺鏡下手術(shù)仿真生物科學(xué)支援顯微受精支援系統(tǒng)、細(xì)胞操作醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第4頁(yè)9.2.1醫(yī)用外科機(jī)器人1計(jì)算機(jī)外科在術(shù)前利用X射線、MRI-CT等各種三維醫(yī)用圖像測(cè)量技術(shù)，取得器官三維結(jié)構(gòu)信息，并據(jù)此建立對(duì)象立體形狀模型。另外，還能夠利用質(zhì)子射線斷層成像法（PET）、核磁共振圖像（f-MRI）、腦磁場(chǎng)測(cè)量（MEG）等檢測(cè)方法把功效信息和解剖學(xué)信息綜合起來(lái)建模，再經(jīng)過(guò)重復(fù)外科手術(shù)仿真，建立手術(shù)綜合規(guī)劃。利用術(shù)前手術(shù)規(guī)劃信息控制高精度機(jī)械系統(tǒng)，有利于高精度手術(shù)實(shí)施，甚至有些人正在將此技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程手術(shù)（手術(shù)醫(yī)師與患者不在同一物理空間中）。所謂不在同一物理空間中并非指簡(jiǎn)單距離分隔，還包含醫(yī)師手臂無(wú)法抵達(dá)部位作業(yè)。手術(shù)支援機(jī)器人就是這么一個(gè)高性能手術(shù)器械，它相當(dāng)于外科醫(yī)師一只“新手”。計(jì)算機(jī)外科（computeraidedsurgery）就是在上述機(jī)電一體化技術(shù)驅(qū)動(dòng)下外科手術(shù)支援技術(shù)。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第5頁(yè)2手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)功效是在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示出斷層圖像或三維CG，在手術(shù)操作過(guò)程中把手術(shù)部位圖像實(shí)時(shí)顯示在CG上。因?yàn)槭中g(shù)醫(yī)師能夠自如地掌握操作部位及其周?chē)S結(jié)構(gòu)，所以能夠提升手術(shù)安全性、效率和有效性。當(dāng)前有些人正在研究一個(gè)更高級(jí)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)，即不但僅在畫(huà)面上提供上述信息，而且把醫(yī)師觀察到實(shí)際空間與虛擬空間信息正確地重合在一起，以構(gòu)建用于手術(shù)空間導(dǎo)航信息提醒超現(xiàn)實(shí)感環(huán)境。手術(shù)導(dǎo)航位置測(cè)量系統(tǒng)除了對(duì)再現(xiàn)性和精度有要求之外，因?yàn)樗窃谑中g(shù)空間中使用，所以有殺菌要求。當(dāng)前使用三維位置測(cè)量系統(tǒng)有：機(jī)械式、光學(xué)式和磁性式。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第6頁(yè)3醫(yī)用外科機(jī)器人分類(lèi)分類(lèi)方式種類(lèi)功能按應(yīng)用形態(tài)分類(lèi)導(dǎo)航機(jī)器人手術(shù)器械等輔助定位治療機(jī)器人主動(dòng)手術(shù)鉗主從機(jī)械手按產(chǎn)生力分類(lèi)被動(dòng)型機(jī)器人手術(shù)醫(yī)師動(dòng)作約束手術(shù)醫(yī)師操作修正主動(dòng)型機(jī)器人產(chǎn)生自主力完成動(dòng)作按控制方式分類(lèi)術(shù)前規(guī)劃固定作業(yè)型由術(shù)前圖像組成三維位置數(shù)據(jù)確定病灶，導(dǎo)引手術(shù)器械，或者進(jìn)行切除作業(yè)手術(shù)中柔性作業(yè)型作為手術(shù)輔助裝置，使手術(shù)醫(yī)師作業(yè)更為多樣化醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第7頁(yè)4醫(yī)用外科機(jī)器人系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)醫(yī)用外科機(jī)器人系統(tǒng)集中了多個(gè)領(lǐng)域科學(xué)和工程技術(shù)，它既不一樣于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)主要完成重復(fù)性操作，也不像智能機(jī)器人系統(tǒng)含有高度自主性。因?yàn)橥饪剖中g(shù)比較復(fù)雜，外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)工作過(guò)程普通能夠分為數(shù)據(jù)獲取、術(shù)前處理和術(shù)中處理三大階段。醫(yī)用外科機(jī)器人系統(tǒng)工作過(guò)程醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第8頁(yè)醫(yī)用外科機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，它包括機(jī)器人結(jié)構(gòu)、機(jī)器人控制、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、醫(yī)學(xué)等等，包括面廣，研究?jī)?nèi)容廣泛。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第9頁(yè)9.2.2康復(fù)機(jī)器人康復(fù)機(jī)器人作為一個(gè)自動(dòng)化康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，它以醫(yī)學(xué)理論為依據(jù)，幫助患者進(jìn)行科學(xué)有效康復(fù)訓(xùn)練，能夠使患者運(yùn)動(dòng)機(jī)能得到更加好恢復(fù)。醫(yī)學(xué)理論和臨床醫(yī)學(xué)證實(shí)，肢體損傷或偏癱患者除了早期手術(shù)治療和必要藥品治療外，正確、科學(xué)康復(fù)訓(xùn)練對(duì)于肢體運(yùn)動(dòng)功效恢復(fù)和提升起到非常主要作用?？祻?fù)機(jī)器人由計(jì)算機(jī)控制，并配以對(duì)應(yīng)傳感器和安全系統(tǒng)，康復(fù)訓(xùn)練在設(shè)定程序下自動(dòng)進(jìn)行，能夠自動(dòng)評(píng)價(jià)康復(fù)訓(xùn)練效果，依據(jù)患者實(shí)際情況調(diào)整運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最正確訓(xùn)練。康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等國(guó)家得到科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)普遍重視，許多研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)展了相關(guān)研究工作，近年來(lái)取得了一些有價(jià)值結(jié)果。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第10頁(yè)分類(lèi)應(yīng)用領(lǐng)域說(shuō)明康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人身體機(jī)能恢復(fù)訓(xùn)練上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人——用于手臂、手及腕部康復(fù)訓(xùn)練下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人——用于行走功效康復(fù)訓(xùn)練脊椎康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練頸部康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練輔助型康復(fù)機(jī)器人自立支援機(jī)器人輔助或替換殘障人士因?yàn)樯眢w機(jī)能缺失或減弱而無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，如機(jī)器人輪椅、機(jī)器人假肢、導(dǎo)盲機(jī)器人護(hù)理支援機(jī)器人用于老年人或殘障人士護(hù)理作業(yè)機(jī)器人，如機(jī)器人護(hù)士醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第11頁(yè)9.2.3醫(yī)學(xué)教育機(jī)器人伴隨動(dòng)物保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，今后利用動(dòng)物試驗(yàn)輔助醫(yī)學(xué)教育限制會(huì)日漸增多。與其矛盾是，醫(yī)療器械越先進(jìn)，器械操作訓(xùn)練要求也就越高。實(shí)際上，人們開(kāi)發(fā)了各種手術(shù)訓(xùn)練仿真器，如心肺移植手術(shù)訓(xùn)練仿真器等。這些系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立了臟器三維模型和力學(xué)特征模型，這不但能夠仿真隨操作產(chǎn)生圖像改變，也能夠?qū)⑹中g(shù)者能夠感覺(jué)到反作用力經(jīng)過(guò)機(jī)器人手臂向醫(yī)師反饋，這么能夠經(jīng)過(guò)治療仿真進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練。比如，含有大腸力學(xué)模型和可提醒力覺(jué)機(jī)構(gòu)大腸鏡插入訓(xùn)練系統(tǒng)，以及各種內(nèi)窺鏡手術(shù)仿真器械等。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第12頁(yè)9.3醫(yī)用機(jī)器人控制醫(yī)用機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)該含有以下特點(diǎn)：(1)含有開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以利于未來(lái)發(fā)展需要對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，并能與普通PC機(jī)兼容以方便用戶(hù)使用。(2)要有合理模塊化設(shè)計(jì)。對(duì)于醫(yī)用機(jī)器人，不但要求其機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠做到模塊化設(shè)計(jì)，更要求其控制系統(tǒng)能夠依據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特征以及軟件結(jié)構(gòu)做到模塊化設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)不但方便安裝和系統(tǒng)維護(hù)，而且能夠提升系統(tǒng)可靠性。(3)含有有效任務(wù)劃分。不一樣子任務(wù)由不一樣功效模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，這么有利于修改、添加和配置系統(tǒng)功效。(4)實(shí)時(shí)性、多任務(wù)要求。機(jī)器人控制器能在確定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)外部中止處理，并且能夠使多個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行。(5)友好人機(jī)接口。形象直觀人機(jī)接口能夠方便操作人員對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操作，友好人機(jī)界面是醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)不可缺乏一部分。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第13頁(yè)(6)有時(shí)含有手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。依據(jù)術(shù)前醫(yī)學(xué)圖像判斷病變位置和大小，利用病人體表標(biāo)志點(diǎn)確定進(jìn)針位置；建立病灶靶點(diǎn)在二維圖像和人體內(nèi)部位置關(guān)系；手術(shù)中，在B超、X光、CT或MRI圖像引導(dǎo)下，將手術(shù)器械扎入患者體內(nèi)病變位置。醫(yī)用機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)含有以下功效：運(yùn)動(dòng)控制即位置伺服功效規(guī)劃與調(diào)度功效檢測(cè)功效交互功效即友好人機(jī)接口手術(shù)導(dǎo)航功效很高可靠性和故障處理能力醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第14頁(yè)醫(yī)用機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第15頁(yè)9.4醫(yī)用機(jī)器人應(yīng)用9.4.1醫(yī)用外科機(jī)器人應(yīng)用醫(yī)用外科機(jī)器人系統(tǒng)是用于醫(yī)療外科手術(shù)，輔助醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前診療和手術(shù)規(guī)劃，在手術(shù)中提供可視化導(dǎo)引或監(jiān)視服務(wù)功效，輔助醫(yī)生高質(zhì)量地完成手術(shù)操作機(jī)器人集成系統(tǒng)。1內(nèi)窺鏡操作手在腹腔鏡手術(shù)中，主刀醫(yī)師在內(nèi)窺鏡視野范圍內(nèi)實(shí)施各種外科處置，操作內(nèi)窺鏡任務(wù)通常交給助手完成。但助手在保持內(nèi)窺鏡時(shí)候難免手顫動(dòng)，由此會(huì)造成圖像含糊。所以在腹腔鏡手術(shù)中出現(xiàn)了內(nèi)窺鏡機(jī)械手，這是一個(gè)依據(jù)醫(yī)師操作保持內(nèi)窺鏡（腹腔鏡等）位置機(jī)械手系統(tǒng)。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第16頁(yè)右圖為小林等開(kāi)發(fā)腹腔鏡手術(shù)內(nèi)窺鏡操作機(jī)械手系統(tǒng)。該系統(tǒng)考慮了安全、洗凈、消毒和操作性等多個(gè)原因。機(jī)器人采取5連桿機(jī)構(gòu)，它組成部分有球形關(guān)節(jié)部分（用于抓取腹腔壁套針）、驅(qū)動(dòng)部分、操作交互界面等。5連桿機(jī)構(gòu)作用是從物理上把驅(qū)動(dòng)部分與患者隔開(kāi)，并增加了內(nèi)窺鏡自動(dòng)調(diào)焦功效，克服傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡必須進(jìn)行前后移動(dòng)才能縮放病灶圖像缺點(diǎn)。這么，機(jī)械手動(dòng)作范圍被約束在有限二維平面內(nèi)，大大降低了醫(yī)師、患者和機(jī)械手之間干涉，提升了安全性。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第17頁(yè)2整形外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在整形外科中，術(shù)前診療能夠取得對(duì)象部位三維位置和形狀測(cè)量結(jié)構(gòu)，再借助于術(shù)前規(guī)劃手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，就能夠在手術(shù)中將它穩(wěn)定地再現(xiàn)出來(lái)。如在日本人工股關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，最早由大阪大學(xué)研發(fā)系統(tǒng)按照術(shù)前規(guī)劃正確地實(shí)施了切削骨骼手術(shù)，其結(jié)果是人工關(guān)節(jié)植入骨骼精度比傳統(tǒng)手術(shù)更高。德國(guó)Berlin大學(xué)長(zhǎng)久開(kāi)展醫(yī)用外科機(jī)器人研究工作，他們分別研究了機(jī)器人在頜面整形、牙科整形、放射外科中應(yīng)用。系統(tǒng)采取一套光電系統(tǒng)作為手術(shù)導(dǎo)航工具，機(jī)器人則采取改造后PUMA工業(yè)機(jī)器人。他們還開(kāi)發(fā)了各種適合于機(jī)器人末端夾持手術(shù)工具。他們?cè)谟?jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)、手術(shù)工具設(shè)計(jì)方面比較獨(dú)特，不過(guò)在醫(yī)用外科機(jī)器人本體設(shè)計(jì)方面研究不多。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第18頁(yè)我國(guó)北京大學(xué)口腔醫(yī)院、北京理工大學(xué)等單位聯(lián)合成功研制出口腔修復(fù)機(jī)器人，如圖所表示。這是一個(gè)由計(jì)算機(jī)和機(jī)器人輔助設(shè)計(jì)、制作全口義齒人工牙列應(yīng)用試驗(yàn)系統(tǒng)?？谇恍迯?fù)機(jī)器人該系統(tǒng)利用圖像、圖形技術(shù)來(lái)獲取生成無(wú)牙頜患者口腔軟硬組織計(jì)算機(jī)模型，利用自行研制非接觸式三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)來(lái)獲取患者無(wú)牙頜骨形態(tài)幾何參數(shù)，采取教授系統(tǒng)軟件完成全口義齒人工牙列計(jì)算機(jī)輔助統(tǒng)計(jì)。另外，創(chuàng)造和制作了單顆塑料人工牙與最終要完成人工牙列之間過(guò)渡轉(zhuǎn)換裝置——可調(diào)整排牙器。利用機(jī)器人來(lái)代替手工排牙，不但比口腔醫(yī)療教授更準(zhǔn)確地以數(shù)字方式操作，同時(shí)還能防止教授因疲勞、情緒、疏忽等原因造成失誤。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第19頁(yè)3穿刺手術(shù)機(jī)器人眾所周知，不但在外科處置中，也在內(nèi)科處置中廣泛使用穿刺。比如，整形外科神經(jīng)根傳導(dǎo)阻滯法、椎體成形手術(shù)、腦神經(jīng)外科淤血抽吸、肝臟外科無(wú)線電波燒灼手術(shù)等，都用到穿刺手術(shù)。穿刺處置通常是在X射線透視或超聲波圖像引導(dǎo)下進(jìn)行，最近出現(xiàn)了在MRI攝影引導(dǎo)下實(shí)施趨勢(shì)。這種機(jī)械手必須設(shè)置在圖像設(shè)備內(nèi)部，所以既要求它小型化，又不得影響圖像質(zhì)量。假如機(jī)器人在MRI裝置中工作，它既不應(yīng)該對(duì)MRI內(nèi)磁場(chǎng)造成影響，又不應(yīng)該受到MRI高強(qiáng)度磁場(chǎng)影響，所以它結(jié)構(gòu)材料都應(yīng)該是非磁材料。顯然電磁式電機(jī)不適合做它驅(qū)動(dòng)器，應(yīng)該改成超聲波電機(jī)或水壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第20頁(yè)4遙控操作手術(shù)機(jī)器人當(dāng)前世界上最少有10個(gè)研究小組正在從事遠(yuǎn)距離外科手術(shù)系統(tǒng)研究工作。美國(guó)Berkeley大學(xué)系統(tǒng)地開(kāi)展了帶有力反饋和立體遠(yuǎn)程觸覺(jué)遠(yuǎn)程醫(yī)療外科機(jī)器人研究，系統(tǒng)包含兩臺(tái)帶有靈巧手及觸覺(jué)傳感器機(jī)械臂、力和觸覺(jué)反饋設(shè)備、改進(jìn)成像和三維顯示系統(tǒng)，全部設(shè)備都由計(jì)算機(jī)控制。其研究研究目標(biāo)是使醫(yī)生能夠微創(chuàng)傷地完成復(fù)雜外科手術(shù)。斯坦福研究所經(jīng)過(guò)多年努力，終于研制出了臨場(chǎng)感遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)。它是由菲利普·格林先生創(chuàng)造，所以又稱(chēng)為格林系統(tǒng)。格林系統(tǒng)醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第21頁(yè)格林系統(tǒng)是讓外科醫(yī)生坐在一個(gè)大操縱臺(tái)前，帶上三維眼鏡，盯著一個(gè)透明工作間，觀看手術(shù)室內(nèi)立體攝像機(jī)攝錄并傳送過(guò)來(lái)手術(shù)室和病人三維立體圖像。與此同時(shí)，外科醫(yī)生兩手手指分別勾住操縱臺(tái)下兩臺(tái)儀器上控制環(huán)。儀器中傳感器可測(cè)量出外科醫(yī)生手指細(xì)微動(dòng)作并把測(cè)量結(jié)果數(shù)字化，隨即傳送到兩只機(jī)械手上，機(jī)械手隨外科醫(yī)生動(dòng)作，為病人作手術(shù)。聲頻部分能同時(shí)傳來(lái)手術(shù)所發(fā)出全部聲音，使人有親臨其境之感。即使使用格林系統(tǒng)，外科醫(yī)生是在病人圖像上作手術(shù)，但感覺(jué)卻與普通手術(shù)無(wú)異。機(jī)械手還會(huì)經(jīng)過(guò)傳感器把手術(shù)時(shí)全部感覺(jué)反饋給外科醫(yī)生。即使格林系統(tǒng)已成功地用于動(dòng)物，但真正能為人安全地實(shí)施手術(shù)還需要很長(zhǎng)時(shí)間，還有很多問(wèn)題有待處理。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第22頁(yè)5微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人微創(chuàng)外科手術(shù)是在病人身體上打開(kāi)一個(gè)或幾個(gè)小孔，外科醫(yī)生借助于各種視覺(jué)圖像設(shè)備和先進(jìn)靈巧手術(shù)器械裝備，將手術(shù)器械經(jīng)過(guò)小切口進(jìn)入人體進(jìn)行治療或診療。與傳統(tǒng)手術(shù)相比，微創(chuàng)外科手術(shù)對(duì)健康組織創(chuàng)傷小，而且病人體表傷口顯著縮小。微創(chuàng)外科手術(shù)能夠分為內(nèi)窺鏡引導(dǎo)微創(chuàng)手術(shù)和體外圖像引導(dǎo)微創(chuàng)手術(shù)兩種類(lèi)型。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第23頁(yè)微創(chuàng)外科機(jī)器人在內(nèi)窺鏡手術(shù)中應(yīng)用以腹腔鏡手術(shù)為例。內(nèi)窺鏡手術(shù)支援機(jī)器人自由度組成醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第24頁(yè)微創(chuàng)外科機(jī)器人在整形手術(shù)中應(yīng)用微創(chuàng)外科機(jī)器人在整形手術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用，因?yàn)樵谶M(jìn)行骨骼切割和關(guān)節(jié)置換時(shí)，機(jī)器人操作精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于醫(yī)生，而且手術(shù)自動(dòng)化程度也大大增加。其中含有代表性系統(tǒng)是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)RH.Taylor開(kāi)發(fā)用于關(guān)節(jié)置換手術(shù)ROBODOC機(jī)器人系統(tǒng)。微創(chuàng)外科機(jī)器人還被用于脊椎修復(fù)。脊椎修復(fù)機(jī)器人醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第25頁(yè)微創(chuàng)外科機(jī)器人在立體定向手術(shù)中應(yīng)用立體定向外科手術(shù)是近年來(lái)快速發(fā)展微創(chuàng)傷外科手術(shù)方法，但因?yàn)樵谑中g(shù)中一直需要框架定位并支撐手術(shù)工具，從而給病人帶來(lái)了一定痛苦和心理恐懼。另外人工調(diào)整導(dǎo)向裝置，手續(xù)煩瑣，消耗時(shí)間，精度有限。微創(chuàng)外科機(jī)器人在手術(shù)中主要用于導(dǎo)航定位和輔助插入手術(shù)工具，能夠使病人擺脫框架痛苦，同時(shí)機(jī)器人輔助立體定向外科手術(shù)還含有操作穩(wěn)定，定位精度高優(yōu)點(diǎn)。微創(chuàng)外科機(jī)器人在其它手術(shù)中應(yīng)用英國(guó)Davies.B等人開(kāi)發(fā)了用于切除前列腺瘤微創(chuàng)外科機(jī)器人，1990年在世界上首次實(shí)現(xiàn)利用機(jī)器人從病人身體切除前列腺瘤組織手術(shù)。在心胸外科方面，美國(guó)J.KennethSalisbury研究了用于心瓣修補(bǔ)手術(shù)微創(chuàng)外科機(jī)器人系統(tǒng)。常規(guī)手術(shù)需要開(kāi)胸，而利用機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)只需要開(kāi)三個(gè)小洞，讓工具進(jìn)入。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第26頁(yè)9.4.2康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用1康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人殘障治療方法包含運(yùn)動(dòng)療法?？祻?fù)訓(xùn)練機(jī)器人就主要應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)療法，比如，改進(jìn)和預(yù)防四肢運(yùn)動(dòng)性能低下、攣縮，讓關(guān)節(jié)在活動(dòng)范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)肌肉力量運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)耐力運(yùn)動(dòng)，協(xié)調(diào)性訓(xùn)練、步行訓(xùn)練、體操治療等。假如機(jī)器人搭載含有測(cè)量康復(fù)功效儀器，就能夠定量采集訓(xùn)練對(duì)象機(jī)能恢復(fù)過(guò)程中數(shù)據(jù)，對(duì)恢復(fù)過(guò)程作定量分析和評(píng)價(jià)，統(tǒng)計(jì)康復(fù)整個(gè)過(guò)程。假如被訓(xùn)練者了解自己在訓(xùn)練中康復(fù)數(shù)據(jù)，可能能產(chǎn)生某種主動(dòng)反饋效果?？祻?fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究包含兩方面：上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，用于手臂、手及腕部康復(fù)訓(xùn)練；下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，用于行走功效康復(fù)訓(xùn)練。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第27頁(yè)上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人上肢康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)經(jīng)過(guò)十幾年發(fā)展，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上分，主要包含三個(gè)階段：(1)當(dāng)?shù)乜祻?fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)1991年，MIT設(shè)計(jì)完成了第一臺(tái)上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)MIT-MANUS，該設(shè)備采取五連桿機(jī)構(gòu)，末端阻抗較小，利用阻抗控制實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練安全性、穩(wěn)定性和平順性，用于病人肩、肘運(yùn)動(dòng)。MIT-MANUS系統(tǒng)圖醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第28頁(yè)年，瑞士蘇黎世大學(xué)Nef等開(kāi)發(fā)了一個(gè)新型上肢康復(fù)機(jī)器人ARMin，它是一個(gè)6自由度半外骨架裝置，安裝有位置傳感器及6維力/力矩傳感器，能夠進(jìn)行肘部屈伸和肩膀空間運(yùn)動(dòng)，用于臨床訓(xùn)練上肢損傷患者日常生活中活動(dòng)。上述這些設(shè)備不足之處是機(jī)器人系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且沒(méi)有利用網(wǎng)絡(luò)，所以患者不能在家依據(jù)治療師指導(dǎo)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。(2)遠(yuǎn)程康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)年，斯坦福大學(xué)和芝加哥康復(fù)研究所聯(lián)合研制了一個(gè)便攜式家用遠(yuǎn)程康復(fù)系統(tǒng)，這是一個(gè)主從式遙操作系統(tǒng)，由主手、從手以及各自控制器組成，從手引導(dǎo)患者進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)并檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)信息，主手作為醫(yī)生提供控制和監(jiān)控交換設(shè)備，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令并接收從手運(yùn)動(dòng)信急，實(shí)現(xiàn)中風(fēng)患者肘部康復(fù)訓(xùn)練，該系統(tǒng)能夠傳輸治療師指令及相關(guān)信息，治療師能夠檢測(cè)患者并監(jiān)控訓(xùn)練過(guò)程。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第29頁(yè)(3)基于虛擬環(huán)境康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)為了勉勵(lì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，提升康復(fù)訓(xùn)練效果，在訓(xùn)練過(guò)程中吸引患者興趣十分主要。虛擬環(huán)境技術(shù)發(fā)展使這種思想得以實(shí)現(xiàn)，研究者們采取基于虛擬環(huán)境用戶(hù)界面，經(jīng)過(guò)一些小游戲勉勵(lì)患者進(jìn)行主動(dòng)訓(xùn)練?；谔摂M環(huán)境康復(fù)訓(xùn)練通常與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，所以，不但含有遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，還提升了患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練能動(dòng)性。Wisconsin醫(yī)學(xué)院和Marquette大學(xué)研制了康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)TheraDrive，主要由3個(gè)商用力反饋操縱輪和驅(qū)動(dòng)軟件SmartDriver組成，創(chuàng)建上肢康復(fù)治療虛擬環(huán)境界面，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)游戲激發(fā)患者進(jìn)行訓(xùn)練。虛擬環(huán)境對(duì)患者進(jìn)行功效恢復(fù)訓(xùn)練是一個(gè)很好康復(fù)環(huán)境，當(dāng)前基于虛擬環(huán)境康復(fù)運(yùn)動(dòng)主要用于手部功效恢復(fù)康復(fù)訓(xùn)練。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第30頁(yè)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是依據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)理論和人機(jī)合作機(jī)器人原理，經(jīng)過(guò)一套計(jì)算機(jī)控制下走步狀態(tài)控制系統(tǒng)，使患者模擬正常人步伐規(guī)律作康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)，鍛煉下肢肌肉，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)行走功效控制能力，到達(dá)恢復(fù)走路機(jī)能目標(biāo)。(1)關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍運(yùn)動(dòng)進(jìn)行關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是改進(jìn)和預(yù)防四肢運(yùn)動(dòng)性能低下或攣縮。膝部經(jīng)過(guò)整形外科手術(shù)后，需要結(jié)合被動(dòng)運(yùn)動(dòng)來(lái)恢復(fù)關(guān)節(jié)功效。通常方法是借助于CPM(ContinuousPassiveMotion，連續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng))裝置，經(jīng)過(guò)重復(fù)進(jìn)行某一個(gè)模式運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練起到預(yù)防攣縮作用。(2)步行訓(xùn)練骨折或關(guān)節(jié)手術(shù)后，或中風(fēng)后，患者在步行訓(xùn)練前首先需要在病床上進(jìn)行肌肉力量強(qiáng)化訓(xùn)練，然后分階段依次進(jìn)行起坐、輪椅移動(dòng)訓(xùn)練、斜面起立訓(xùn)練，然后進(jìn)入利用平行桿、步行器、手杖步行訓(xùn)練。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第31頁(yè)顯然病情不一樣，步行訓(xùn)練內(nèi)容也不應(yīng)該千篇一律。普通來(lái)說(shuō)，骨折后或關(guān)節(jié)手術(shù)后應(yīng)該以負(fù)荷訓(xùn)練為主，中風(fēng)后則應(yīng)該視患者肌肉力量情況選擇適當(dāng)步行訓(xùn)練。步行訓(xùn)練能夠在懸吊平衡重錘跑臺(tái)上進(jìn)行，但應(yīng)該依據(jù)被訓(xùn)練者殘留機(jī)能大小選擇適當(dāng)訓(xùn)練強(qiáng)度。德國(guó)生產(chǎn)一個(gè)主動(dòng)活動(dòng)器CAMOPED，主要是以健康腿運(yùn)動(dòng)來(lái)幫助患腿被動(dòng)訓(xùn)練，能夠有效地幫助患者恢復(fù)其本體感覺(jué)，所以患者協(xié)調(diào)功效也能得到更早恢復(fù)。主被動(dòng)活動(dòng)器CAMOPED醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第32頁(yè)瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)(ETH)在腿部康復(fù)機(jī)構(gòu)、走步狀態(tài)分析方面取得了一些結(jié)果，在漢諾威年世界工業(yè)展覽會(huì)上展出了名為L(zhǎng)OKOMAT康復(fù)機(jī)器人。日本Makikawa試驗(yàn)室結(jié)合機(jī)器人技術(shù)、生物信號(hào)測(cè)量技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研制出一個(gè)下肢康復(fù)機(jī)器人。LOKOMAT機(jī)器人Makikawa機(jī)器人醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第33頁(yè)

德國(guó)柏林自由大學(xué)(FREEUNIVERSITYBERLIN)開(kāi)展了腿部康復(fù)機(jī)器人研究，并研制了MGT型康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)。美國(guó)RUTGERS大學(xué)開(kāi)展了腳部康復(fù)機(jī)器人研究，并研制了RUTGER踝部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人樣機(jī)。德國(guó)Fraunhofer研究所開(kāi)展了腿部康復(fù)機(jī)器人研究，研制了繩驅(qū)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。

MGT型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人

踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第34頁(yè)我國(guó)研制一個(gè)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外觀結(jié)構(gòu)圖德國(guó)Fraunhofer研究所研制繩驅(qū)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第35頁(yè)2輔助型康復(fù)機(jī)器人機(jī)器人輪椅機(jī)器人輪椅是將智能機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪椅上，融合了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器人導(dǎo)航和定位、模式識(shí)別、信息處理以及人機(jī)交互等先進(jìn)技術(shù)，從而使輪椅變成了高度自動(dòng)化移動(dòng)機(jī)器人。機(jī)器人輪椅主要有口令識(shí)別與語(yǔ)音合成、機(jī)器人自定位、動(dòng)態(tài)隨機(jī)避障、多傳感器信息融合、實(shí)時(shí)自適應(yīng)導(dǎo)航控制等功效。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所也成功研制了一個(gè)含有視覺(jué)和口令導(dǎo)航功效并能與人進(jìn)行語(yǔ)音交互機(jī)器人輪椅醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第36頁(yè)導(dǎo)盲機(jī)器人視覺(jué)殘障者行走輔助裝備普通采取盲人安全杖，少數(shù)借助于導(dǎo)盲犬。除了傳統(tǒng)手杖和導(dǎo)盲犬，各國(guó)一直致力導(dǎo)盲機(jī)器人研制。當(dāng)前導(dǎo)盲機(jī)器大致上可分為以下5類(lèi)：

電子式導(dǎo)盲器移動(dòng)式機(jī)器人穿戴式導(dǎo)盲器導(dǎo)引式手杖手機(jī)語(yǔ)音導(dǎo)盲導(dǎo)盲機(jī)器人醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第37頁(yè)機(jī)器人護(hù)士機(jī)器人護(hù)士能夠完成以下各項(xiàng)任務(wù)：運(yùn)輸醫(yī)療器材、藥品、運(yùn)輸試驗(yàn)樣品及試驗(yàn)結(jié)果，為病人送飯、送病歷、報(bào)表及信件，幫助病人進(jìn)食、移動(dòng)、入浴、入廁，在醫(yī)院內(nèi)部送郵件及包裹等。日本醫(yī)療福利機(jī)器人研究所、富士通、安川電機(jī)合作開(kāi)發(fā)了HelpMateSP機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)，其用途是負(fù)責(zé)醫(yī)院內(nèi)部藥品、送檢物品、食物、卡片等運(yùn)輸，還能做到給老年人、殘障者配膳、送膳自動(dòng)化，這么有利于延長(zhǎng)面對(duì)面護(hù)理患者時(shí)間，提升護(hù)理質(zhì)量醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第38頁(yè)SECOMU進(jìn)食護(hù)理機(jī)器人Regina機(jī)器人（日本LogicMachine）護(hù)士助手機(jī)器人醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第39頁(yè)機(jī)器人假肢假肢是人缺損肢體替換物，用以填補(bǔ)缺損肢體形狀與功效。假肢分上肢、下肢。上肢假肢又分為假手、前臂假肢和上臂假肢；下肢假肢分為假腿、小腿假肢、大腿假肢等。在假肢技術(shù)發(fā)展歷程中，肌電控制上肢假肢和步態(tài)可控下肢假肢是當(dāng)代假肢技術(shù)標(biāo)志性結(jié)果。肌電假肢由電動(dòng)假肢發(fā)展而來(lái)，它利用肌電信號(hào)取代機(jī)械式觸動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)上肢控制，對(duì)于肘關(guān)節(jié)以上截肢患者，提取多路肌電信號(hào)同時(shí)控制多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)技術(shù)難度大且可靠性差，因而仍以安裝電動(dòng)假肢為主。下肢假肢設(shè)計(jì)一直在追求站立期穩(wěn)定性和擺動(dòng)期步態(tài)仿生性，以及降低體力消耗，對(duì)于膝關(guān)節(jié)和假腳，上述問(wèn)題尤其突出。膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)已從單鏈發(fā)展到四桿機(jī)構(gòu)，近年又出現(xiàn)六桿機(jī)構(gòu)膝關(guān)節(jié)，除了確保站立期關(guān)節(jié)可靠鎖定，站立末期自動(dòng)解鎖，還能實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)期步態(tài)仿生性。使用這種全功效膝關(guān)節(jié)行走所需髖關(guān)節(jié)力矩小，從而降低了行走時(shí)體能消耗。醫(yī)用機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)專(zhuān)家講座第40頁(yè)當(dāng)前假手研究是國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)熱點(diǎn)。假手設(shè)計(jì)包含以下標(biāo)準(zhǔn)：含有各種抓握模式并依據(jù)物體形狀自動(dòng)調(diào)整；物體紋理、形狀和溫度可作為反饋信息；含有本體感覺(jué)；重量輕，外觀好；能夠在潛意識(shí)下控制。新