骨折復(fù)位機(jī)器人發(fā)展研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u206骨折復(fù)位機(jī)器人發(fā)展研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述 1203171.1醫(yī)療機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 1273671.2骨折復(fù)位機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 3285671.3骨盆復(fù)位機(jī)器人研究現(xiàn)狀 58116參考文獻(xiàn) 91.1醫(yī)療機(jī)器人的研究現(xiàn)狀醫(yī)療機(jī)器人最早設(shè)計于上個世紀(jì)八九十年代，由美國科學(xué)家Y.S.Kwoh教授等人醫(yī)療機(jī)器人最初主要設(shè)計于美國上個世紀(jì)八十至九十年代,由著名美國生物科學(xué)家Y.S.Kwoh教授等人利用PUMA200工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)設(shè)計和研發(fā)出來的[6]。研究人員通過理論和實(shí)驗(yàn)探索發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的操作不僅僅是體現(xiàn)在操作速度快于進(jìn)行手動調(diào)試的操作,并且機(jī)器人穿刺和定位的精確性得以顯著提高,從此也證實(shí)了我們可以通過正確地校準(zhǔn)機(jī)器人的精確運(yùn)動軌跡和其運(yùn)動軌道來大幅提高手術(shù)的精確性,實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)外科和手術(shù)的精準(zhǔn)定位,標(biāo)志著手術(shù)機(jī)器人時代的開端。在上世紀(jì)八九十年代的日本，IMATRON公司生產(chǎn)的一款六自由度NeuroMate機(jī)器人[7]。這款六自由度串聯(lián)機(jī)器人可以在手術(shù)前給醫(yī)生提供詳細(xì)的影像分析和規(guī)劃，并且可以進(jìn)行一些普通的手術(shù)。手術(shù)醫(yī)師根據(jù)該系統(tǒng)提供的術(shù)前圖像對其進(jìn)行了計算和術(shù)中的規(guī)劃,然后由機(jī)器人上的被動機(jī)械臂共同協(xié)助完成了手術(shù)。該類機(jī)器人主要是通過鎖定各個關(guān)節(jié)之間的位置和角度,使用該類機(jī)器人將穿刺針和電極等器械裝置送至設(shè)備預(yù)定的位置,并引導(dǎo)手術(shù)醫(yī)師完成手術(shù)操作。標(biāo)志著手術(shù)機(jī)器人正式步入臨床使用。在上世紀(jì)九十年代初，美國國家綜合醫(yī)院外科醫(yī)療系統(tǒng)公司已經(jīng)推出了一款新型的ROBODOC以及ORTHODOC（圖像處理系統(tǒng)）。該計算機(jī)工作站工作時不僅能夠有效讓骨科醫(yī)師既能較為精確地分析檢查和找出一位骨折患者的整個身體內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)特點(diǎn),又同時能將其適當(dāng)?shù)亟M合應(yīng)用于每到一個全髖和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動放大器的置換術(shù)前段。該型號的手術(shù)機(jī)器人能夠按照手術(shù)前的規(guī)劃自動地執(zhí)行整個手術(shù)過程,該款機(jī)器人已經(jīng)完成了世界第一例手術(shù)機(jī)器人輔助進(jìn)行全款關(guān)節(jié)置換的手術(shù)實(shí)驗(yàn),證明了機(jī)器人可以輔助醫(yī)師完成一些復(fù)雜的手術(shù)。如圖1-1所示：圖1-1：ROBODOC手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在20世紀(jì)末,北京航天航空大學(xué)和隸屬中國解放軍北京海軍第二總醫(yī)院共同合作研制開發(fā)出了第一代基于微機(jī)puma262工業(yè)機(jī)器人專用醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)器人的專用電子中心腦外科工業(yè)醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)器人CRAS[9]。該機(jī)器人成功開展了臨床應(yīng)用,填補(bǔ)了我國醫(yī)用機(jī)器人研究的空白，為我國醫(yī)用機(jī)器人的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在本世紀(jì)初,美國的公司Intuitivesurgical公司首次自主開發(fā)研制成功了的達(dá)芬奇手術(shù)整形機(jī)器人操作系統(tǒng),該種整形手術(shù)中的機(jī)器人操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各類口腔外科和整形手術(shù)等醫(yī)療領(lǐng)域[10]。達(dá)芬奇機(jī)器人是由三個主要部分共同設(shè)計組成：自動控制操作平臺、床旁機(jī)械臂控制系統(tǒng)以及頭部成像信號處理控制系統(tǒng)。如圖所示1-2。圖1-2：達(dá)芬奇系統(tǒng)組成在2002年,北京航天航空大學(xué)公司先后聯(lián)合中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京積水潭醫(yī)院等國內(nèi)多家醫(yī)學(xué)科研機(jī)構(gòu),成功地自主研制了一種小型的的多模塊自動化智能骨科醫(yī)療機(jī)器人控制系統(tǒng)[11]。該機(jī)器人系統(tǒng)是根據(jù)手術(shù)過程中的特點(diǎn)和需求,巧妙地把一些機(jī)器人部件和導(dǎo)航結(jié)合在一起,設(shè)計成一種并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這并聯(lián)結(jié)構(gòu)非常緊湊,非常適合臨床使用。在2006年天津大學(xué)成功研制“妙手”機(jī)器人系統(tǒng)。“妙手”系統(tǒng)分為兩支專用的機(jī)械手，其中主手是一種具有力反饋功能的PhantomDesktop主手,而從機(jī)械手則為醫(yī)院自主研究和開發(fā)的專門針對顯微外科血管縫合而設(shè)計的,實(shí)現(xiàn)了顯微外科的精確操作[12]。妙手機(jī)器人系統(tǒng)如圖1-3所示。圖1-3：妙手機(jī)器人系統(tǒng)綜上所述，隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，從改裝的PUMA200機(jī)器開始到現(xiàn)在的“達(dá)芬奇”機(jī)器人系統(tǒng)。機(jī)器人結(jié)構(gòu)從串聯(lián)結(jié)構(gòu)變成了如今的串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)，這也就意味著時代發(fā)展對機(jī)器人的要求越來越高，對機(jī)器人的精準(zhǔn)度和準(zhǔn)確度的要求也越來越高。1.2骨折復(fù)位機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀除了上述的醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人，醫(yī)療機(jī)器人另外一個特別重要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣钦蹚?fù)位機(jī)器人。骨折手術(shù)治療的一個本質(zhì)工作就是進(jìn)行復(fù)位、固定和機(jī)體功能康復(fù)，其中復(fù)位效果的好壞無疑是判斷手術(shù)治療效果的重要參考因素[13]。由于骨折的復(fù)位過程是相對固定的，因此各種復(fù)位手法可以通過機(jī)器人的運(yùn)動來進(jìn)行模擬，從而實(shí)現(xiàn)骨折復(fù)位過程。由于這種機(jī)器人的專業(yè)機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)空間定位及重復(fù)運(yùn)動規(guī)律的功能,所以這種機(jī)器人在操作時就可以替代醫(yī)師來完成一些較為繁瑣的空間定位操作。在21世紀(jì)初，由中國空軍軍醫(yī)大學(xué)的張肖在等人研發(fā)了一種專門用于四肢長骨骨折的復(fù)位機(jī)器人[14]。該機(jī)器人是由工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行改裝而成的六自由度串聯(lián)復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)，如圖1-4所示。醫(yī)生通過手柄的移動帶動兩只機(jī)械手的運(yùn)動，通過計算機(jī)程序的控制來完成長骨骨折的復(fù)位過程。圖1-4：長骨骨干骨折復(fù)位機(jī)器人在21世紀(jì)初，美國的羅文大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的MohammadH.Abedinnasab教授設(shè)計了一款并聯(lián)機(jī)械手結(jié)構(gòu)來完成骨折復(fù)位操作[15]。如圖1-5所示。機(jī)器人有6個自由度。它有一個全正面開放的表面，為外科醫(yī)生提供了一個大的手術(shù)范圍。(b)(c)圖1-5：（a）為并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，（b）為機(jī)器人控制系統(tǒng)，（c）為機(jī)器人骨折復(fù)位仿真實(shí)驗(yàn)。該款四肢長骨復(fù)位機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)是在Sewart機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的，通過三個萬向節(jié)和機(jī)械臂的運(yùn)動，可以起到復(fù)位效果。2006年，北京積水潭醫(yī)院王軍強(qiáng)教授成功了主導(dǎo)開發(fā)并研制了一種的2-PPTC的定位機(jī)器人[16]。該機(jī)器人在手術(shù)過程中進(jìn)行X光透視和采集骨盆的手術(shù)對象以及全部標(biāo)記點(diǎn)的X線透視圖像。通過雙平面定位算法，完成了手術(shù)過程中正側(cè)位與定位平面的空間映射關(guān)系。綜上所述，本課題發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的機(jī)器人都是由工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計而來的。工業(yè)機(jī)器人這種類型的復(fù)位設(shè)備特點(diǎn)之一就是它們能夠?qū)崿F(xiàn)自動化和精確的控制，復(fù)位過程相對來說比較平穩(wěn)。但是工業(yè)機(jī)器人的一些缺陷也帶到了復(fù)位機(jī)器人上，結(jié)構(gòu)過大，運(yùn)動過程中存在細(xì)小的抖動，特別是并聯(lián)機(jī)械手的控制相對來說比較復(fù)雜，對于現(xiàn)在醫(yī)院所提倡的微創(chuàng)化或無創(chuàng)化處理過程難以實(shí)現(xiàn)。1.3骨盆復(fù)位機(jī)器人研究現(xiàn)狀由于骨盆結(jié)構(gòu)不像人的股骨、長骨和脛骨那樣具有規(guī)則的結(jié)構(gòu)形態(tài)，骨折后也沒有特定的形態(tài)。國內(nèi)外針對骨盆復(fù)位手術(shù)機(jī)器人的研究正在熱火熱潮的進(jìn)行深入研究。目前,臨床上多數(shù)手術(shù)采用支架空心釘、使用支架內(nèi)外固定的各種手術(shù)方式進(jìn)行骨盆骨折的治療，其中技術(shù)較為成熟和先進(jìn)的是美國的教授自主設(shè)計的一種用于固定在手術(shù)床上的骨盆復(fù)位支架StarrFrame[17]。該固定架可以對骨盆進(jìn)行小范圍的復(fù)位調(diào)整，也可以對骨盆復(fù)位結(jié)果進(jìn)行固定。目前,國內(nèi)外針對骨盆的骨折復(fù)位機(jī)器人研究還比較少,按照機(jī)器人結(jié)構(gòu)的類型不同,我們大致可以將其細(xì)分為串聯(lián)式骨盆復(fù)位機(jī)器人、并聯(lián)式復(fù)位機(jī)器人和混合的骨盆復(fù)位機(jī)器人。從2002年開始，由北京積水潭醫(yī)院、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)院和天智航公司等研究機(jī)構(gòu)共同開發(fā)設(shè)計，成功研制出一款“天璣”骨科導(dǎo)航機(jī)器人[18]。如圖7所示?！疤飙^”骨科導(dǎo)航機(jī)器人能夠通過自動輔助醫(yī)生精準(zhǔn)骨折的定位，來幫助醫(yī)生更加精準(zhǔn)的植入物或手術(shù)器械。該機(jī)器人的定位精度達(dá)亞毫米級，可降低手術(shù)過程中的風(fēng)險、減少并發(fā)癥的發(fā)生。他的出現(xiàn)改變了使用復(fù)位架進(jìn)行復(fù)位手術(shù)的過程。圖7：天璣”骨科導(dǎo)航機(jī)器人天璣骨科導(dǎo)航機(jī)器人可以當(dāng)作六自由度的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，由于串聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)具備緊湊，控制方便等優(yōu)勢。該款機(jī)器人可以通過導(dǎo)航來實(shí)現(xiàn)虛擬復(fù)位路徑規(guī)劃，幫助醫(yī)生在手術(shù)前制定手術(shù)方案，降低對患者的傷害。由北京時延慶醫(yī)院骨科的徐九峰等人設(shè)計的骨盆復(fù)位機(jī)器人，該款并聯(lián)機(jī)器人是基于Stewart平臺設(shè)計而出的[19]。如圖8所示，由四部分組成。圖8：骨盆模型復(fù)位操作1.骨盆模型；2.復(fù)位機(jī)器人；3.操作桿；4.術(shù)者；5.照相機(jī)；6.顯示器該骨盆機(jī)器人能夠滿足復(fù)位精度高、自由度大和操作時間短等優(yōu)點(diǎn)。通過使用六自由度并聯(lián)機(jī)器人來進(jìn)行骨盆骨折復(fù)位，能夠更好的模擬手法復(fù)位過程。由于并聯(lián)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，開發(fā)難度大，由于結(jié)構(gòu)過大，工作空間狹小，使用會對醫(yī)生觀察骨折部分的視野受到影響。由北京航天航空大學(xué)的趙璐等人研究的串并聯(lián)骨盆復(fù)位機(jī)器人。如圖9所示。該機(jī)器人由五部分組成：包括串聯(lián)平臺組件、串并聯(lián)連接組件、并聯(lián)平臺組件等組件構(gòu)成[20]。該串并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計的原理是使用的骨盆固定方法中的外固定的方式固定骨盆，骨盆外固定的方式可以減少手術(shù)過程中創(chuàng)傷面，降低了病人受到感染的面積。圖9：六自由度串并聯(lián)骨盆骨折復(fù)位機(jī)器人該并聯(lián)的機(jī)器人串聯(lián)平臺是由直線導(dǎo)軌和電動推桿組成的機(jī)構(gòu)，該串聯(lián)平臺為三自由度平臺。并聯(lián)平臺組件為三個直線導(dǎo)軌組成的機(jī)構(gòu)，該并聯(lián)平臺為三自由度平臺。兩者相互結(jié)合而成的串并聯(lián)機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)6自由度運(yùn)動，該平臺具有精度高、負(fù)載能力大等優(yōu)點(diǎn)。但是該機(jī)器人的運(yùn)動空間不大，不能與醫(yī)生能夠有效的互動，對于骨盆骨折部分只能起到小范圍內(nèi)的復(fù)位操作，對于機(jī)器人的復(fù)位操作也比較復(fù)雜，占地比較大，可能會影響醫(yī)生的操作。綜上所述，比較各種結(jié)構(gòu)的骨盆骨折復(fù)位機(jī)器人發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊，手術(shù)操作空間富裕等優(yōu)點(diǎn)。但是串聯(lián)機(jī)器人也具備末端負(fù)載過小等問題。并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)過于龐大，機(jī)器人的工作空間十分狹小，控制系統(tǒng)復(fù)雜等缺點(diǎn)。并且有關(guān)的研究人員認(rèn)為在手術(shù)主要還是使用外固定架的方式。使用并聯(lián)機(jī)器人，這無疑直接限制了一個機(jī)器人不能對斷骨遠(yuǎn)端、近端的夾持長度和形狀，當(dāng)患者身體出現(xiàn)其他不良因素影響下，會直接導(dǎo)致并聯(lián)機(jī)器人無法正常進(jìn)行工作。串并聯(lián)混聯(lián)這種類型的機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上完全融入了兩種結(jié)構(gòu)的各種優(yōu)點(diǎn)，但是機(jī)器人還是會阻礙醫(yī)生的操作空間，由于串并聯(lián)機(jī)構(gòu)上方還是使用的是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，雖然解決了應(yīng)末端機(jī)械臂負(fù)載過小的問題，但是這方式還是存在一定的額外損傷。隨著科技的不斷進(jìn)步，對于串聯(lián)機(jī)器人末端機(jī)械臂的負(fù)載過小情況有了很大程度上的解決，末端機(jī)械臂在空間上的定位越來越精準(zhǔn)。因此，最后選用串聯(lián)式的機(jī)器人結(jié)構(gòu)來設(shè)計一款骨盆復(fù)位機(jī)器人。參考文獻(xiàn)彭燁,張立海,唐佩福.嚴(yán)重骨盆骨折的治療[N].國際骨科學(xué)雜志,2018-10-25：1561丁劍鋒,朱東波，損傷控制策略在不穩(wěn)定骨盆骨折合并四肢多發(fā)骨折治療中的應(yīng)用[J].黑龍江醫(yī)藥，2016，29（6）：1218-1220唐佩福,王巖.骨折手術(shù)學(xué)[M].第一版.北京：人民軍醫(yī)出版社,2013：849-1004孫劍偉，骨盆骨折合并骨盆部皮膚剝脫傷[C]:中國中西醫(yī)結(jié)合學(xué)會骨傷科專業(yè)委員會,編.第十四屆全國中西醫(yī)結(jié)合骨傷科學(xué)術(shù)研討會論文集.廣州：中國中西醫(yī)結(jié)合學(xué)會，2006年.472-475\o"李永軍"李永軍\o"劉明勛"劉明勛.CT引導(dǎo)下經(jīng)皮骶骨螺釘內(nèi)固定治療骶骨縱形骨折[J].實(shí)用骨科雜志，2015，6：550-553DaviesBL,HibberdRD,CoptcoatMJ,etal.Asurgeonrobotprostatectomylaboratoryevaluation[J].JMedEngTechnol,1989,13(6):273-277.LiQH,ZamoranoL,PandyaA,etal.TheapplicationaccuracyoftheNeuroMaterobot-Aquantitativecomparionwithframelessandframe-basedsurgeicallocalizationsystems[J].ComputAidedSurg,2002,7(2):90-98.TaylorRH,MittelstadtBD,PaulHA,etal.Animage-directedoboticsystemforpreciseorthopaedicsurgery[J].IEEEransactionsonRoboticsandAutomation,1994,10(3):261-275.陳夢東,王田苗,劉達(dá).機(jī)器人輔助微損傷神經(jīng)外科手術(shù)系統(tǒng)的研究及其臨床應(yīng)用[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,2000,19(2):145-151.袁凱，陳建庭.脊柱結(jié)核外科治療植骨材料的臨床應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].中國矯形外科雜志，2013，20（21）：1957-1959桂海軍，張詩雷.醫(yī)用外科機(jī)器人應(yīng)用和研究進(jìn)展[J].組織工程于重建外科，2011，1：55-59岳龍旺,許天春,贠今天."妙手"系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[J].機(jī)器人,2006,4(2):130-135.孫小剛.股骨干骨骨折復(fù)位輔助機(jī)器人系統(tǒng)研制[D].[碩士學(xué)位論文].江蘇:東南大學(xué),2016張肖在.四肢長骨骨折復(fù)位機(jī)器人研發(fā)及測試研究[D].[碩士學(xué)位論文].陜西:中國人民解放軍空軍軍醫(yī)大學(xué).2019史剛,朱世磊,張自啟,李釗。股骨骨干骨折復(fù)位機(jī)器人主從控制系統(tǒng)的設(shè)計[J],中國醫(yī)療設(shè)備,2018,33（07）：198-206韓曉