1、,外科手术机器人,概述,机器人能部分代替人类的活动，且与自然人相比有着巨大的优势。如医师仅靠人工操作处理定量信息能力有限，且易受到辐射和感染的影响。机器人具有较高的集合运动精度、可稳定运行且不会疲劳，处理数据能力强，也不必担心辐射与感染的影响，且灭菌方便。 手术机器人借助计算机控制技术，施行靶点定位、药物注入、损毁病灶等手术任务。目前，手术机器人的研究主要集中在外科手术机器人、康复机器人、服务机器人与护理机器人等方面，而使用最广泛的是外科手术机器人。就目前的科学技术发展水平，很难做到完全用医疗机器人代替医师手术，只是提供了功能强大的操作工具以克服传统的外科手术定位精度不高、手术时间过长、术者易
2、疲劳与颤抖、缺乏三维医学图像导航等技术缺陷。,使用外科手术机器人的优点,Robotic surgery,1准确定位、微创操作：机器人的震颤过滤系统及动作缩减系统可将手术精度提高到亚毫米级。2减轻医师疲劳：避免人为因素带来的意外损伤，大大提高手术安全性。3增强灵巧性：多自由度的机械手增强医师操作的灵巧性。4直观：机器人监视系统传出的三维图给术者带来更直观的信息反馈。5术前准备充分：可进行术前快速手术设计、仿真，实时地模拟手术过程，对术者进行手术技能培训。,研究意义及国内外研究现状,Davinci外科手术机器人系统,外科手术机器人关键技术分析,冗余自由度机器人,外科手术机器人的发展,zeus机器人
3、系统,外科手术机器人的研究意义,医疗机器人技术已经成为国际前沿研究热点之一，是从生命科学与工程学理论、方法、工具的角度，将传统医疗器械与信息技术、机器人技术相结合的产物，是诸多学科交叉的新型研究领域. 目前，机器人技术在医疗外科手术规划模拟、微创定位操作、无损伤诊疗、新型手术治疗方法等方面得到了广泛的应用，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，并形成了新的高技术产业.,社会的需求 随着社会的进步，人类对自身疾病的诊断、治疗、预防及卫生健康给予了越来越多的关注，对医疗技术及手段也提出了越来越高的要求，新技术的不断涌现，也加快了这种需求的发展。技术发展的要求 医疗机器人是一个新兴
4、的、多学科交叉的研究领域，涉及众多领域知识和技术，研究医疗机器人不仅能促进传统医疗技术的变革，而且也会对这些相关技术的发展产生积极的推动作用，具有重要的理论研究意义.经济效益显著 计算机和机器人高技术医疗设备的研究和开发正在形成一个新的产业，单就微创伤手术每年的潜在市场就超过35 亿美元，市场潜力巨大.,国内外研究现状,目前，对医疗机器人的研究主要集中在外科领域，包括神经外科、心脏修复、胆囊摘除、人工关节置换、整形外科、泌尿科和无损诊疗等.,国外突破性发展,1985 年，出现了基于工业机器人平台的外科机器人。美国的Kwoh YS等采用Puma560工业机器人完成了脑组织活检中探针的导向定位。,
5、1987年，美国ISS公司推出了NeumMate机器人系统，采用机械臂和立体定位架来完成神经外科立体定向手术中的导向定位,1992年，美国Integrated SurgicaI Systems 公司推出ROBODOCTM 机器人系统，它是在传统工业机器人技术基础上开发而成的，可以完成全髋骨替换、修复和膝关节置换等手术. 该公司还开发了ORTHODOCTM 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，帮助医生完成监控和虚拟手术.,1994年，美国Computer Motion公司推出了第一种能够用于微创手术的医用机器人产品Aesop(伊索)机器人。Aesop具
6、有7个自由度，能够模仿人类手臂的姿态和功能，有效辅助医生抓持和操作内窥镜设备，在心脏、胸外、脊柱等多种外科领域有广泛应用。,1996年，Zeus(宙斯)系统实现了医生远距离控制从端机器人进行精细的手术操作和稳定的器械抓持等动作。Zeus系统采用纯信号方式实现医生操纵台对机器臂的控制，在传输距离上不受视频延迟的影响。,。2001年美国开发的DaVinci外科手术机器人系统，该系统是目前少数能商品化的外科手术机器人系统，具有医师控制平台和各种手术器械、多功能手术床与图像处理设备。,2001 年，以色列Mazor 公司推出了小型并联的脊柱外科机器人SpineAssist，高度不足70mm，质量不过2
7、00 g，可直接安装在骨骼上，显著提高了定位精度和稳定性。,尽管中国在医疗机器人方面起步较晚，但也取得了一定成绩。2004 年，北京航空航天大学与北京积水潭医院联合研制了具有 6 个自由度的小型模块化机器人系统，该机器人结构紧凑，可术中快速装拆，适合于长骨骨折、股骨颈骨折和骨盆骨折等临床适应症。2006 年 3 月，北京积水潭医院与北京航空航天大学合作，利用小型模块化机器人，在北京和延安之间完成了国内第一例长骨骨折髓内钉内固定远程遥操作手术，提出并实现了基于窄带网络的远程规划理念，从而在一定程度上降低了远程遥外科对网络配置的要求。,国内外科手术机器人的发展,上海交通大学成功研制出微型智能介入式
8、诊断系统，用于人体消化道的无创检测，解决了插管式检测创伤大、患者异常疼痛、检测部位不全等弊端. 系统包括生物遥测胶囊、体外便携式记录仪、数据处理站等，可以实现压力、温度、pH 值的检测。此外，北京某大学研制了角膜移植显微手术机器人系统，北京航空航天大学机器人研究所与解放军海军总医院联合研制出基于立体定向技术的脑外科手术机器人系统。清华大学研制了神经康复机器人系统，主要用于肩关节的康复训练以帮助中枢神经的恢复。天津大学研制的“妙手”血管显微外科手术机器人可以代替手术医生完成切开、分离、止血、打结、缝合、引流等基本操作。尽管国内医疗机器人研究正在蓬勃兴起，但多数系统处于研究状态，应用于临床实际的系
9、统较少。,国内外科手术机器人的发展,妙手机器人,厦门大学 Artis Zeeg妙手机器人血管造影系统,zeus机器人系统介绍,1994年，美国Computer Motion公司推出了AESOP机器人，它具有一个七自由度机械臂，可以模仿人手臂的动作，用于夹持直径一般小于10mm的内窥镜，提供了比人夹持内窥镜更精确、更稳定的手术视界。1996年，在AESOP的基础上，ComputerMotion公司又推出了ZEUS机器人。 ZEUS机器人和Da Vinci机器人是迄今为止在微创手术领域发展最为成熟、技术最为复杂的商业化机器人。ZEUS机器人主要用于微创胸腹腔手术。是主从式遥操作手术机器人，由操纵台
10、和手术机器人本体两部分组成，有两个手术机械臂和一个夹持内窥镜的机械臂。在手术时，医生坐在操纵台前，通过脚踏板(早期的ZEUS系统)或声音(后期的ZEUS系统)控制夹持内窥镜的机械臂运动，由内窥镜采集的图像经数据线传输到监视器，这样，医生就可以获取手术区域的3D图像信息。医生通过控制操纵台上的一对主手来控制手术平台中的一对手术机械臂，也即从手进行手术。在手术过程中，ZEUS系统可以将医生手的颤抖过滤，并可对医生手的运动进行一定比例放大。,AESOP(声控机器人内窥镜定位器),远程合作系统,Zeus手术系统,HERMES(声控中心),Zeus机器人采用AESOP3000定位系统控制内镜的位置和动作
11、，并使用2个由AESOP系统改进的机械臂，其机械臂具有6种运动方式来模拟人体手臂关节所具有的7种活动能力。手术时3个独立的机械臂分别固定于手术床上，末端直接控制内镜或腹腔镜器械以控制其运动轨迹。 Zeus机器人影像系统采用Storz3D影像系统，术者须佩戴3D眼镜观看监视器来获得立体视觉。该手术系统能够结合远程通讯系统和遥控装置进行跨洲际远距离遥控手术。,zeus机器人的组成,Davinci外科手术机器人系统介绍,Da Vinci机器人,2000年1月9日，美国Intuitive Surgical公司成功开发出DaVinci外科手术机器人系统，它是目前为数不多的商品化的使用技术之一。达芬奇外科
12、手术系统是一种高级机器人平台（简称达芬奇机器人），其设计的理念是通过使用微创的方法，实施复杂的外科手术。达芬奇外科手术系统包括一个外科医生控制台 、多功能手术床、各种手术器械和图像处理设备。手术医生在控制台上通过主手(复制医生的运动)操作机器人动作，通过脚踏板来控制高质量的视觉系统。多功能手术床包括3个机器人手臂和一个内窥镜挟持手臂为避免损伤患者微细组织和神经，内窥镜手臂在手术切口1cm 上回转。临床手术中，达芬奇机器人以应用于实施胸腺切除术、肺大泡结扎术、膈疝修补术、食管裂孔疝修补术、肺叶切除术等20余种手术.,Davinci机器人系统的整体组成,外科医生控制台,这一部分是达芬奇机器人的控制
13、中心，机器人操作员坐在无菌区外，用手或脚来控制机器人和一个3D内窥镜。,各种手术器械和多功能手术床,这一部分是达芬奇机器人的操作部位，为机械臂和内窥镜臂提供支撑，和病人直接接触，需要无菌。,4关节镜头臂：调节镜头位置7关节器械臂：调节器械位置可转腕的操作器械：操作部件背部电动推柄：移动设备,达芬奇的前臂长近50厘米腕关节直径仅0.5厘米可完全模仿人手腕动作7个自由度其活动范围甚至远大于人手电脑控制，每秒同步1300次， 同时设计了很多提示，来协助手术狭窄解剖区域中比人手更灵活达芬奇的手长得很迷你，8厘米5厘米 两种有的是剪刀、有的是镊子，有的能缝合、有的能止血 ,图像处理设备,这一部分内装有图
14、像处理系统，在手术过程中由一名无需在无菌区的人员操作。,Davinci机器人系统的优势,主从式：医生主控台 与 手术台从端机械臂分离（遥控操作） 机械臂：七自由度“内腕关节”（endo wrist）实现 “电机转换” 能将外科医生习惯的各种动作实时精确、连贯地“翻译、传递”到 机械臂的末端，开展手术，医生双眼看到的 3 D HD 实时术野图像,达芬奇机器人优点,1、从患者角度：（1）手术操作更精确，与胸腔镜（二维视觉）相比，因三维视觉可放大10-15倍，使手术精确度大大增加，术后恢复快，愈合好。（2）创伤更小使微创手术指征更广；减少术后疼痛；缩短住院时间；减少失血量；减少术中的组织创伤和炎性反
15、应导致的术后粘连；增加美容效果；更快投入工作。（3）术中对机体损伤大大减小。2、从术者角度： 增加视野角度；减少手部颤动；机器人“内腕”较胸腔镜更为灵活，能以不同角度在靶器官周围操作；机械手较人手小，能够在有限狭窄空间工作；使术者在轻松工作环境工作，减少疲劳更集中精力。,目前达芬奇（da Vinci）机器人手术的主要障碍：,力反馈、手感触觉消失 解决好（医生）主控端到操作端（病人）之间的视觉、力触觉等合符人（医生）的正常生理反应（它无法提供给医生实际的手感问题）时间延迟医生双手的动作与机器人手臂做出的反应之间存在着时间延迟网络人机交互的安全（远程遥控手术） 医生和患者之间所有的信息都是通过人机
16、交流进行的，保证网络通信的安全带宽,操作相对复杂解决好（医生）便于学习的主控操作程序，达到该系统设计的有效的最佳手术效果价格昂贵 体积庞大 目前，达芬奇机器人价格昂贵，体积庞大，或许可以更小更轻便些方便移动,外科手术机器人关键技术分析,外科手术机器人的机构研究 手术机器人机构的研制是医疗机器人技术的关键之一，在设计时要充分考虑人体结构特点，在实现功能的前提下尽量使结构简单.（1）选择合适的机构形式.（2）小型化，结构紧凑，便于安装和维修.（3）根据实际要求可以选择有动力或无动力，无动力一般用于手术导航或定位，同时具有较高的安全性.（4）符合医生的操作习惯. 设计前应充分了解手术过程，各机构适合
17、手术的特点，便于操作.（5）方便消毒，保证系统的安全性.,工作空间分析与路径规划 针对特定外科手术的医疗需求，对机器人进行工作空间和路径规划分析。通过建立机械臂的运动学方程、设计轨迹规划算法实现机器人平稳、无振荡运行，避免由于末端速度或加速度过大带来的振动风险。另外，机器人路径规划时需充分考虑手术空间避碰，在灵活工作空间内实现高效率的无碰撞运动，提高手术效率避免干涉可能造成的手术风险。,医学图像处理与机器人导航 医师需利用医学图像配准与融合技术，把解剖图像和功能图像有机结合，使人体内部的结构、功能信息、三维表面扫描模型等多元数据反映在同一幅图像中，从而更加准确直观地为术者提供人体解剖、生理、病
18、理等信息，为手术的规划提供全面、精确、量化的人体信息模型。图像处理子系统将标定结果实时显示在计算机屏幕上，并将标定参数传递给机器人，机器人自动根据外科手术操作的实际情况和实时标定参数精确地完成定位，同时实时显示机器人末端在术前三维头部模型场景中的位置及详细位姿信息，使术者全面掌握机器人末端所处位置的详细解剖结构信息，从而实现机器人手术的导航定位。,虚拟手术系统研究 在外科手术前，建立精确的组织模型，用高度真实感的方式稳定、逼真、实时地模拟手术过程，并将其中一些肉眼不易区分的必要特征显著体现出来，同时模拟组织器官在手术器械的外力交互作用下变形的过程，提供逼真的手术现场感觉。应用虚拟手术系统，术者
19、能够在虚拟的视觉与操作环境中进行操作任务的预先演练，检验系统是否完善。同时可以利用虚拟手术系统进行手术技术培训，以使术者熟练掌握手术机器人系统的操作技巧。,医疗机器人的人机交互技术 对机器人的操作由于缺乏有效的力反馈感知器件，目前主要集中在虚拟力反馈的研究，采用具有生物相容性的微小型力反馈器件实现医师操作的真实力感知，是医疗机器人操控所共同面临的关键技术，建立基于真实三维立体视觉反馈和力觉反馈的具有高保真度和稳定性的医师遥控操作台是人机交互的重点演技内容。此外外科手术辅助机器人的人机交互系统，如何让双手忙碌、精神集中的术者方便而又有效地操控机器人是交互技术的难点，如何设计基于视觉、多种操作交互
20、方式的医师与机器人协同手术系统是技术的核心。,机器人的安全性与控制 机器人辅助外科手术的前提是必须保证人与机器人的绝对安全，所以必须研究机器人系统安全性机构、多层自主安全监控、碰撞检测等安全性设计等共性关键技术，建立机器人安全性设计的技术体系与标准。同时需制定机器人安全性准则、测试维护标准化流程、机器人危险等级鉴定标准和安全评估体系，为机器人辅助外科手术的应用推广做好准备。,冗余自由度机器人,冗余自由度机器人是指含有自由度数（主动关节数）多于完成某一作业任务所需最少自由度数的一类机器人。冗余自由度机器人具有较高的研究及应用价值，也是未来智能化机器人的重要发展方向。 在大多数工作环境下，非冗余自
21、由度机械臂能够基本实现工作空间内的任务要求，但是无法避免工作空间存在的奇异位形以及躲避任务空间中存在的障碍。而冗余度机械臂由于存在自运动性，从而可以避免工作空间中的奇异位形和避障的问题。另外，冗余度机械臂的运动灵活性能够防止运动超限以及改善动力学性能等。,增加机械臂自由度,改善拓扑结构新型运动副新型机构支链,采用冗余自由度机器人的标准,有利于消除工作空间内部的奇异位形增加的自由度能够尽可能的解决避障问题有利于简化运动学计算有利于简化机构设计,在选择冗余度数时，七自由度机械臂实际上已经满足了以上4 条设计标准，而增加更多的自由度的超冗余度机械臂不仅使运动学计算更加复杂，同时不能完全解决内部奇异位
22、形的问题。,6自由度的机械臂,7自由度的冗余机械臂,七自由度机械臂的设计往往可以认为在六自由度机械臂的设计基础上再多增加一个关节，这样的布置使肩关节具有3个自由度，整个机械臂关节布置跟人的手臂类似。这种构型的机械臂可以实现较大的可达工作空间；同时，这种自由度安排可以大大简化运动学计算，机构设计相对容易，应用也较为广泛。,机器人各关节的几何关系一般通过DH参数表来描述。在进行机器人运动学、动力学分析时，先定义各关节的坐标系，分析机器人的结构，然后获取DH参数表。DH参数表生成三维机器人模型仿真系统能够高效、简便的实现三维机器人的可视化。,DH参数由、d、四个分量组成，分别描述了机器人某一杆件相对
23、于前一个杆件的位姿(位置和方向)。不同的机器人采用不同的方法为机器人杆件设置坐标系，因此，将导致一个不同的DH参数定义和参数指标。,di是偏移量，d是代数变量，可正可负。如果关节i是旋转关节，d是常数；而关节i是移动关节时，则d是变量；i是几何参数，表示杆件Li的长度。参数是正的常量；i是关节变量角，表示Xi-1轴绕Zi-1轴旋转到Xi轴的角度。如果关节i是旋转关节，是变量；如果关节i是移动关节，是常量，并可以指定i=0；i是杆件的扭角，用Zi-1轴绕Xi轴旋转到Zi轴的角度度量。选择旋转的最小的正角。,根据D-H参数表生成三维机器人结构,驱动系统设计,参数设计,关节转矩计算,各关节电机选择,
24、关键部件的静力学分析,关键部件的模态分析,机械臂的有限元分析,机器人手臂结构的设计步骤,一些先进的医疗机器人典型手臂结构,Kinematics and Workspace of a New Surgical Robot with Five Degrees of Freedom,The five degrees of mobility and parallel mechanim geometry allows the movement of the laparoscope without suppot of the patients abdomen, the laparoscope or the
25、 instrument just moving around the abdominal insertion point, having an advantage over other structures from the field of minimally invasive surgery. This parallel structure offers higher stiffness and smaller mobile mass than serial ones. Also the ability of this structure to be used as laparoscope
26、 holder or as manipulator of active instruments gives an advantage over robots from thisarea.One disadvantage of this structure is the large space occupied in the operating room. For a better visualization of this parallel mechanism.,外科手术机器人手臂机构新的趋势串并联混合,一种新型的3P6R机械臂,图中所示机械臂主要由上臂基座1；直流电机2,3和11；上臂导轨4
27、和15；上臂移动滑块5和14；前臂基座6；腕部连接件7；腕部推动杆8；移动滑块9；导轨10；肘部连接件12和肘部推动杆13构成。其中上臂采用五杆2自由度并联机构，前臂采用四杆机构，前臂基座与肘部连接件固连在一起，构成了串并联混合的形式，可以更好地发挥串联机构和并联机构的优点。,总结,目前的机器人辅助手术也存在一些问题。由于软组织易发生形变并且医师的操作会改变原有的器官组织形态，使术前三维重建模型与术中患者器官的高精度配准较为困难。此外，目前的医疗机器人操作时缺失力感，尚不能给术者带来触觉功能及高度的手术真实感。应建立高仿真度组织器官物理模型以及基于解剖学人体组织特征的力反馈物理模型，以实现精确的力反馈，大大提高手术的现实感。 此外还需要对机器人多性能指标进行优化设计，以保证机器人满足任务工作空间要求的同时，改善目前医疗机器人的刚度和灵活性问题。为确保患者及医护人员的安全，医疗机器人应该建立更加完善的安全监控系统，对可能发生的异常情况，能够自主或半自主地启动安全防范系统。 针对外科手术的医疗需求，立足于国内外外科手术机器人研究的基础和现状，以机器人技术、计算机技术和控制理论为支撑，利用成熟的医疗机器人共性技术，突破系统专门技术，研制出更多经济实用的智能化外科手术机器人并应用于临床，可进一步提高1医学领域数字化水平、加速新型医疗技术的普及推广。,Thank You,
