第9章醫(yī)用機器人ppt課件

1、機器人引論第9章 醫(yī)用機器人第9章 醫(yī)用機器人o 9.1 醫(yī)用機器人的特點o 9.2 醫(yī)用機器人的分類o 9.3 醫(yī)用機器人的控制o 9.4 醫(yī)用機器人的應用9.1 醫(yī)用機器人的特點醫(yī)用機器人的特點o 醫(yī)用機器人和工業(yè)機器人在以下方面具有顯著的區(qū)別：o (1) 直接與人患者、護理人員等接觸。o (2) 作業(yè)內(nèi)容變化無常。o (3) 不能發(fā)生誤動作。o (4) 機器人的使用者都是非專業(yè)人員。o 醫(yī)用機器人的對象主要是病人，所關注的是人的生命，所以對機器人的安全性方面有很高的要求。o 除了安全性之外，醫(yī)用機器人還具有定位準確、狀態(tài)穩(wěn)定、可以實現(xiàn)手術微創(chuàng)、縮短醫(yī)療時間、降低醫(yī)療成本等特點，能大大的提

2、高手術的質(zhì)量。9.2 醫(yī)用機器人的分類醫(yī)用機器人的分類應用領域裝置示例檢查、診斷基于圖像診斷確定病灶位置的裝置、確定診斷探頭位置的裝置、生理檢查支援系統(tǒng)治療手術支援機器人、顯微外科支援機器人、放射線治療標的定位裝置等醫(yī)院內(nèi)部間接作業(yè)檢驗樣本輸送裝置、食物輸送機器人、藥品分發(fā)機器人康復支援步行訓練支援、韌性訓練支援自立支援步行支援、動力裝置、飲食支援機器人護理支援轉(zhuǎn)移支援裝置、環(huán)境控制裝置醫(yī)學教育培訓心肺移植仿真、內(nèi)窺鏡操作仿真、內(nèi)窺鏡下的手術仿真生物科學支援顯微受精支援系統(tǒng)、細胞操作9.2.1 醫(yī)用外科機器人醫(yī)用外科機器人1 計算機外科計算機外科在術前利用在術前利用X射線、射線、MRI-CT等

3、各種三維醫(yī)用圖像測量等各種三維醫(yī)用圖像測量技術，獲得器官的三維構造信息，并據(jù)此建立對技術，獲得器官的三維構造信息，并據(jù)此建立對象的立體形狀模型。另外，還可以利用質(zhì)子射線象的立體形狀模型。另外，還可以利用質(zhì)子射線斷層成像法斷層成像法PET）、核磁共振圖像）、核磁共振圖像f-MRI）、）、腦磁場測量腦磁場測量MEG等檢測方法把功能信息和解等檢測方法把功能信息和解剖學信息綜合起來建模，再通過反復的外科手術剖學信息綜合起來建模，再通過反復的外科手術仿真，建立手術綜合規(guī)劃。仿真，建立手術綜合規(guī)劃。利用術前的手術規(guī)劃信息控制高精度的機械系統(tǒng)，利用術前的手術規(guī)劃信息控制高精度的機械系統(tǒng)，有利于高精度手術的實

4、施，甚至有人正在將此技有利于高精度手術的實施，甚至有人正在將此技術應用于遠程手術手術醫(yī)師與患者不在同一物術應用于遠程手術手術醫(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理空間中）。所謂不在同一物理空間中并非指簡單的距離分隔，還包括醫(yī)師的手臂無法到達部位單的距離分隔，還包括醫(yī)師的手臂無法到達部位的作業(yè)。手術支援機器人就是這樣一種高性能的的作業(yè)。手術支援機器人就是這樣一種高性能的手術器械，它相當于外科醫(yī)師的一只手術器械，它相當于外科醫(yī)師的一只“新手新手”。計算機外科計算機外科computer aided surgery就是在上述就是在上述機電一體化技術驅(qū)動下的外科手術的支援技術。

5、機電一體化技術驅(qū)動下的外科手術的支援技術。2 手術導航技術手術導航技術手術導航系統(tǒng)的功能是在計算機的顯示器上顯示出斷層圖手術導航系統(tǒng)的功能是在計算機的顯示器上顯示出斷層圖像或三維像或三維CG，在手術操作過程中把手術部位的圖像實，在手術操作過程中把手術部位的圖像實時顯示在時顯示在CG上。由于手術醫(yī)師能夠自如地掌握操作部上。由于手術醫(yī)師能夠自如地掌握操作部位及其周圍的三維結構，因此可以提高手術的安全性、位及其周圍的三維結構，因此可以提高手術的安全性、效率和有效性。目前有人正在研究一種更高級的手術導效率和有效性。目前有人正在研究一種更高級的手術導航技術，即不僅僅在畫面上提供上述信息，而且把醫(yī)師航技術

6、，即不僅僅在畫面上提供上述信息，而且把醫(yī)師觀察到的實際空間與虛擬空間信息正確地重疊在一起，觀察到的實際空間與虛擬空間信息正確地重疊在一起，以構建用于手術空間導航信息提示的超現(xiàn)實感環(huán)境。以構建用于手術空間導航信息提示的超現(xiàn)實感環(huán)境。手術導航位置測量系統(tǒng)除了對再現(xiàn)性和精度有要求之外，手術導航位置測量系統(tǒng)除了對再現(xiàn)性和精度有要求之外，由于它是在手術空間中使用的，所以有殺菌的要求。目由于它是在手術空間中使用的，所以有殺菌的要求。目前使用的三維位置測量系統(tǒng)有：機械式、光學式和磁性前使用的三維位置測量系統(tǒng)有：機械式、光學式和磁性式。式。3 醫(yī)用外科機器人的分類醫(yī)用外科機器人的分類分類方式種 類功 能按應用

7、形態(tài)分類導航機器人手術器械等的輔助定位治療機器人主動手術鉗主從機械手按產(chǎn)生的力分類被動型機器人手術醫(yī)師動作的約束手術醫(yī)師操作的修正主動型機器人產(chǎn)生自主力完成動作按控制方式分類術前規(guī)劃固定作業(yè)型由術前圖像構成的三維位置數(shù)據(jù)確定病灶，導引手術器械，或者進行切除作業(yè)手術中柔性作業(yè)型作為手術的輔助裝置，使手術醫(yī)師的作業(yè)更為多樣化4 醫(yī)用外科機器人系統(tǒng)的醫(yī)用外科機器人系統(tǒng)的總體結構總體結構醫(yī)用外科機器人系統(tǒng)集中醫(yī)用外科機器人系統(tǒng)集中了多個領域的科學和了多個領域的科學和工程技術，它既不同工程技術，它既不同于工業(yè)機器人系統(tǒng)主于工業(yè)機器人系統(tǒng)主要完成重復性操作，要完成重復性操作，也不像智能機器人系也不像智能機

8、器人系統(tǒng)具有高度的自主性。統(tǒng)具有高度的自主性。由于外科手術比較復由于外科手術比較復雜，外科手術機器人雜，外科手術機器人系統(tǒng)工作過程一般可系統(tǒng)工作過程一般可以分為數(shù)據(jù)獲取、術以分為數(shù)據(jù)獲取、術前處理和術中處理三前處理和術中處理三大階段。大階段。醫(yī)用外科機器人系統(tǒng)工作過程o 醫(yī)用外科機器人系統(tǒng)是一個多學科的交叉研究領域，它涉及機器人結構、機器人控制、通訊技術、計算機圖像處理、計算機圖形學、虛擬現(xiàn)實技術、醫(yī)學等等，涉及面廣，研究內(nèi)容廣泛。9.2.2 康復機器人康復機器人康復機器人作為一種自動化康復醫(yī)療設備，它以醫(yī)康復機器人作為一種自動化康復醫(yī)療設備，它以醫(yī)學理論為依據(jù)，幫助患者進行科學有效的康復學理

9、論為依據(jù)，幫助患者進行科學有效的康復訓練，可以使患者的運動機能得到更好的恢復。訓練，可以使患者的運動機能得到更好的恢復。醫(yī)學理論和臨床醫(yī)學證明，肢體損傷或偏癱患醫(yī)學理論和臨床醫(yī)學證明，肢體損傷或偏癱患者除了早期的手術治療和必要的藥物治療外，者除了早期的手術治療和必要的藥物治療外，正確、科學的康復訓練對于肢體運動功能的恢正確、科學的康復訓練對于肢體運動功能的恢復和提高起到非常重要的作用。復和提高起到非常重要的作用?？祻蜋C器人由計算機控制，并配以相應的傳感器和康復機器人由計算機控制，并配以相應的傳感器和安全系統(tǒng)，康復訓練在設定的程序下自動進行，安全系統(tǒng)，康復訓練在設定的程序下自動進行，可以自動評價

10、康復訓練效果，根據(jù)患者的實際可以自動評價康復訓練效果，根據(jù)患者的實際情況調(diào)節(jié)運動參數(shù)，實現(xiàn)最佳訓練?？祻蜋C器情況調(diào)節(jié)運動參數(shù)，實現(xiàn)最佳訓練?？祻蜋C器人技術在歐美等國家得到科研工作者和醫(yī)療機人技術在歐美等國家得到科研工作者和醫(yī)療機構的普遍重視，許多研究機構都開展了相關的構的普遍重視，許多研究機構都開展了相關的研究工作，近年來取得了一些有價值的成果。研究工作，近年來取得了一些有價值的成果。分 類應用領域說 明康復訓練機器人身體機能恢復訓練上肢康復訓練機器人用于手臂、手及腕部的康復訓練下肢康復訓練機器人用于行走功能康復訓練脊椎康復運動訓練頸部康復運動訓練輔助型康復機器人自立支援機器人輔助或替代殘障人

11、士由于身體機能缺失或減弱而無法實現(xiàn)動作，如機器人輪椅、機器人假肢、導盲機器人護理支援機器人用于老年人或殘障人士護理作業(yè)的機器人，如機器人護士9.2.3 醫(yī)學教育機器人醫(yī)學教育機器人隨著動物保護意識的增強，今后利用動物實驗輔隨著動物保護意識的增強，今后利用動物實驗輔助醫(yī)學教育的限制會日漸增多。與其矛盾的是，助醫(yī)學教育的限制會日漸增多。與其矛盾的是，醫(yī)療器械越先進，器械操作的訓練要求也就越醫(yī)療器械越先進，器械操作的訓練要求也就越高。實際上，人們開發(fā)了各種手術訓練的仿真高。實際上，人們開發(fā)了各種手術訓練的仿真器，如心肺移植手術訓練仿真器等。器，如心肺移植手術訓練仿真器等。這些系統(tǒng)在計算機內(nèi)建立了臟器

12、的三維模型和力這些系統(tǒng)在計算機內(nèi)建立了臟器的三維模型和力學特性模型，這不僅可以仿真隨操作產(chǎn)生的圖學特性模型，這不僅可以仿真隨操作產(chǎn)生的圖像變化，也可以將手術者能夠感覺到的反作用像變化，也可以將手術者能夠感覺到的反作用力通過機器人手臂向醫(yī)師反饋，這樣可以通過力通過機器人手臂向醫(yī)師反饋，這樣可以通過治療仿真進行手術訓練。例如，具有大腸力學治療仿真進行手術訓練。例如，具有大腸力學模型和可提示力覺機構的大腸鏡插入訓練系統(tǒng)，模型和可提示力覺機構的大腸鏡插入訓練系統(tǒng)，以及各種內(nèi)窺鏡手術仿真器械等。以及各種內(nèi)窺鏡手術仿真器械等。9.3 醫(yī)用機器人的控制醫(yī)用機器人的控制o 醫(yī)用機器人控制系統(tǒng)應該具有以下特點：

13、o (1) 具有開放式系統(tǒng)結構，以利于將來的發(fā)展需要對機器人控制系統(tǒng)進行擴充，并能與普通PC機兼容以方便用戶使用。o (2) 要有合理的模塊化設計。對于醫(yī)用機器人，不僅要求其機械結構能夠做到模塊化設計，更要求其控制系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性以及軟件結構做到模塊化設計。模塊化設計不僅方便安裝和系統(tǒng)維護，而且能夠提高系統(tǒng)的可靠性。o (3) 具有有效的任務劃分。不同的子任務由不同的功能模塊來實現(xiàn)，這樣有利于修改、 添加和配置系統(tǒng)的功能。o (4) 實時性、多任務要求。機器人控制器能在確定的時間內(nèi)完成對外部中斷的處理， 并 且可以使多個任務同時進行。o (5) 友好的人機接口。形象直觀的人機接口

14、可以方便操作人員對機器人進行操作，友好的人機界面是醫(yī)用機器人系統(tǒng)不可缺少的一部分。o(6) 有時具有手術導航系統(tǒng)。根據(jù)術前醫(yī)學圖像判斷病變位置和大小，利用病人體表標志點確定進針位置；建立病灶靶點在二維圖像和人體內(nèi)部的位置關系；手術中，在B超、X光、CT或MRI圖像引導下，將手術器械扎入患者體內(nèi)病變位置。o醫(yī)用機器人的控制系統(tǒng)應具有以下功能：o運動控制即位置伺服功能o規(guī)劃與調(diào)度功能o檢測功能o交互功能即友好的人機接口o手術導航功能o很高的可靠性和故障處理能力醫(yī)用機器人控制系統(tǒng)結構9.4 醫(yī)用機器人的應用醫(yī)用機器人的應用9.4.1 醫(yī)用外科機器人的應用醫(yī)用外科機器人的應用醫(yī)用外科機器人系統(tǒng)是用于醫(yī)

15、療外科手術，輔助醫(yī)用外科機器人系統(tǒng)是用于醫(yī)療外科手術，輔助醫(yī)生進行術前診斷和手術規(guī)劃，在手術中提供醫(yī)生進行術前診斷和手術規(guī)劃，在手術中提供可視化導引或監(jiān)視服務功能，輔助醫(yī)生高質(zhì)量可視化導引或監(jiān)視服務功能，輔助醫(yī)生高質(zhì)量地完成手術操作的機器人集成系統(tǒng)。地完成手術操作的機器人集成系統(tǒng)。1 內(nèi)窺鏡操作手內(nèi)窺鏡操作手在腹腔鏡手術中，主刀醫(yī)師在內(nèi)窺鏡的視野范圍在腹腔鏡手術中，主刀醫(yī)師在內(nèi)窺鏡的視野范圍內(nèi)實施各種外科處置，操作內(nèi)窺鏡的任務通常內(nèi)實施各種外科處置，操作內(nèi)窺鏡的任務通常交給助手完成。但助手在保持內(nèi)窺鏡的時候難交給助手完成。但助手在保持內(nèi)窺鏡的時候難免手顫動，由此會造成圖像的模糊。因此在腹免手顫

16、動，由此會造成圖像的模糊。因此在腹腔鏡手術中出現(xiàn)了內(nèi)窺鏡機械手，這是一個依腔鏡手術中出現(xiàn)了內(nèi)窺鏡機械手，這是一個依據(jù)醫(yī)師的操作保持內(nèi)窺鏡腹腔鏡等位置的據(jù)醫(yī)師的操作保持內(nèi)窺鏡腹腔鏡等位置的機械手系統(tǒng)。機械手系統(tǒng)。右圖為小林等開發(fā)的腹腔鏡手術內(nèi)窺鏡操作機械手系統(tǒng)。該系統(tǒng)考慮了安全、洗凈、消毒和操作性等多個因素。機器人采用5連桿機構，它的組成部分有球形關節(jié)部分用于抓取腹腔壁套針）、驅(qū)動部分、操作交互界面等。5連桿機構的作用是從物理上把驅(qū)動部分與患者隔開，并增加了內(nèi)窺鏡的自動調(diào)焦功能，克服傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡必須進行前后移動才能縮放病灶圖像的缺點。這樣，機械手的動作范圍被約束在有限的二維平面內(nèi)，大大降低了醫(yī)師、

17、患者和機械手之間的干涉，提高了安全性。2 整形外科手術機器人系統(tǒng)整形外科手術機器人系統(tǒng)在整形外科中，術前診斷可以獲得對象部位的三維位置和在整形外科中，術前診斷可以獲得對象部位的三維位置和形狀測量結構，再借助于術前規(guī)劃手術機器人系統(tǒng)，就形狀測量結構，再借助于術前規(guī)劃手術機器人系統(tǒng)，就可以在手術中將它穩(wěn)定地再現(xiàn)出來。如在日本人工股關可以在手術中將它穩(wěn)定地再現(xiàn)出來。如在日本人工股關節(jié)置換手術中，最早由大阪大學研發(fā)的系統(tǒng)按照術前規(guī)節(jié)置換手術中，最早由大阪大學研發(fā)的系統(tǒng)按照術前規(guī)劃正確地實施了切削骨骼的手術，其結果是人工關節(jié)植劃正確地實施了切削骨骼的手術，其結果是人工關節(jié)植入骨骼的精度比傳統(tǒng)手術更高。入

18、骨骼的精度比傳統(tǒng)手術更高。德國德國Berlin大學長期開展醫(yī)用外科機器人的研究工作，他們大學長期開展醫(yī)用外科機器人的研究工作，他們分別研究了機器人在頜面整形、牙科整形、放射外科中分別研究了機器人在頜面整形、牙科整形、放射外科中的應用。系統(tǒng)采用一套光電系統(tǒng)作為手術導航工具，機的應用。系統(tǒng)采用一套光電系統(tǒng)作為手術導航工具，機器人則采用改造后的器人則采用改造后的PUMA工業(yè)機器人。他們還開發(fā)了工業(yè)機器人。他們還開發(fā)了多種適合于機器人末端夾持的手術工具。他們在計算機多種適合于機器人末端夾持的手術工具。他們在計算機輔助手術導航系統(tǒng)、手術工具設計方面比較獨特，但是輔助手術導航系統(tǒng)、手術工具設計方面比較獨特

19、，但是在醫(yī)用外科機器人本體設計方面研究不多。在醫(yī)用外科機器人本體設計方面研究不多。我國北京大學口腔醫(yī)院、北京理工大學等單位聯(lián)合成功研制出口腔修復機器人，如下圖。這是一個由計算機和機器人輔助設計、制作全口義齒人工牙列的應用試驗系統(tǒng)。口腔修復機器人該系統(tǒng)利用圖像、圖形技術來獲取生成無牙頜患者的口腔軟硬組織計算機模型，利用自行研制的非接觸式三維激光掃描測量系統(tǒng)來獲取患者無牙頜骨形態(tài)的幾何參數(shù)，采用專家系統(tǒng)軟件完成全口義齒人工牙列的計算機輔助統(tǒng)計。另外，發(fā)明和制作了單顆塑料人工牙與最終要完成的人工牙列之間的過渡轉(zhuǎn)換裝置可調(diào)節(jié)排牙器。利用機器人來代替手工排牙，不但比口腔醫(yī)療專家更精確地以數(shù)字的方式操作，

20、同時還能避免專家因疲勞、心情、疏忽等原因造成的失誤。3 穿刺手術機器人穿刺手術機器人眾所周知，不僅在外科處置中，也在內(nèi)科處置中廣泛使用眾所周知，不僅在外科處置中，也在內(nèi)科處置中廣泛使用穿刺。例如，整形外科的神經(jīng)根傳導阻滯法、椎體成形穿刺。例如，整形外科的神經(jīng)根傳導阻滯法、椎體成形手術、腦神經(jīng)外科的淤血抽吸、肝臟外科的無線電波燒手術、腦神經(jīng)外科的淤血抽吸、肝臟外科的無線電波燒灼手術等，都用到穿刺手術。穿刺處置通常是在灼手術等，都用到穿刺手術。穿刺處置通常是在X射線射線透視或超聲波圖像的引導下進行的，最近出現(xiàn)了在透視或超聲波圖像的引導下進行的，最近出現(xiàn)了在MRI攝影引導下實施的趨勢。攝影引導下實施

21、的趨勢。這種機械手必須設置在圖像設備的內(nèi)部，因此既要求它小這種機械手必須設置在圖像設備的內(nèi)部，因此既要求它小型化，又不得影響圖像質(zhì)量。如果機器人在型化，又不得影響圖像質(zhì)量。如果機器人在MRI裝置中裝置中工作，它既不應該對工作，它既不應該對MRI內(nèi)的磁場造成影響，又不應該內(nèi)的磁場造成影響，又不應該受到受到MRI高強度磁場的影響，因此它的結構材料都應該高強度磁場的影響，因此它的結構材料都應該是非磁材料。顯然電磁式電機不適合做它的驅(qū)動器，應是非磁材料。顯然電磁式電機不適合做它的驅(qū)動器，應該改成超聲波電機或水壓驅(qū)動馬達等。該改成超聲波電機或水壓驅(qū)動馬達等。4 遙控操作手術機器人遙控操作手術機器人目前世

22、界上至少有目前世界上至少有10個研究小組正在從事遠距離外科手術個研究小組正在從事遠距離外科手術系統(tǒng)的研究工作。美國系統(tǒng)的研究工作。美國Berkeley大學系統(tǒng)地開展了帶有大學系統(tǒng)地開展了帶有力反饋和立體遠程觸覺的遠程醫(yī)療外科機器人的力反饋和立體遠程觸覺的遠程醫(yī)療外科機器人的 研討，研討，系統(tǒng)包括兩臺帶有靈巧手及系統(tǒng)包括兩臺帶有靈巧手及觸覺傳感器的機械臂、力和觸覺反饋設備、改進的成像和三維顯示系統(tǒng)，所有的設備都由計算機控制。其研究研究目標是使醫(yī)生能夠微創(chuàng)傷地完成復雜的外科手術。斯坦福研究所經(jīng)過多年的努力，終于研制出了臨場感遠程外科手術系統(tǒng)。它是由菲利普格林先生發(fā)明的，所以又稱為格林系統(tǒng)。格林系統(tǒng)

23、o格林系統(tǒng)是讓外科醫(yī)生坐在一個大操縱臺前，帶上三維眼鏡，盯著一個透明的工作間，觀看手術室內(nèi)立體攝像機攝錄并傳送過來的手術室和病人的三維立體圖像。與此同時，外科醫(yī)生的兩手手指分別勾住操縱臺下兩臺儀器上的控制環(huán)。儀器中的傳感器可測量出外科醫(yī)生手指的細微動作并把測量結果數(shù)字化，隨后傳送到兩只機械手上，機械手隨外科醫(yī)生動作，為病人作手術。聲頻部分能同時傳來手術所發(fā)出的所有聲音，使人有親臨其境之感。雖然使用格林系統(tǒng)，外科醫(yī)生是在病人圖像上作手術，但感覺卻與普通手術無異。機械手還會通過傳感器把手術時的所有感覺反饋給外科醫(yī)生。o雖然格林系統(tǒng)已成功地用于動物，但真正能為人安全地實施手術還需要很長的時間，還有很

24、多問題有待解決。5 微創(chuàng)外科手術機器人微創(chuàng)外科手術機器人微創(chuàng)外科手術是在病人身體上打開一個或幾個小孔，外科微創(chuàng)外科手術是在病人身體上打開一個或幾個小孔，外科醫(yī)生借助于各種視覺圖像設備和先進靈巧手術器械裝備，醫(yī)生借助于各種視覺圖像設備和先進靈巧手術器械裝備，將手術器械經(jīng)過小切口進入人體進行治療或診斷。與傳將手術器械經(jīng)過小切口進入人體進行治療或診斷。與傳統(tǒng)手術相比，微創(chuàng)外科手術對健康組織的創(chuàng)傷小，并且統(tǒng)手術相比，微創(chuàng)外科手術對健康組織的創(chuàng)傷小，并且病人體表傷口明顯縮小。病人體表傷口明顯縮小。微創(chuàng)外科手術可以分為內(nèi)窺鏡引導的微創(chuàng)手術和體外圖像微創(chuàng)外科手術可以分為內(nèi)窺鏡引導的微創(chuàng)手術和體外圖像引導的微

25、創(chuàng)手術兩種類型。引導的微創(chuàng)手術兩種類型。微創(chuàng)外科機器人微創(chuàng)外科機器人在內(nèi)窺鏡手在內(nèi)窺鏡手術中的應用術中的應用以腹腔鏡手術為以腹腔鏡手術為例。例。內(nèi)窺鏡手術支援機器人的自由度構成微創(chuàng)外科機器人在整形手術中的應用微創(chuàng)外科機器人在整形手術中的應用微創(chuàng)外科機器人在整形手術中得到了廣泛的應用，因為在微創(chuàng)外科機器人在整形手術中得到了廣泛的應用，因為在進行骨骼切割和關節(jié)置換時，機器人的操作精度要遠遠進行骨骼切割和關節(jié)置換時，機器人的操作精度要遠遠高于醫(yī)生，而且手術的自動化程度也大大增加。高于醫(yī)生，而且手術的自動化程度也大大增加。其中具有代表性的系統(tǒng)是美國加利福尼亞大學RH.Taylor開發(fā)的用于關節(jié)置換手術

26、的ROBODOC機器人系統(tǒng)。微創(chuàng)外科機器人還被用于脊椎的修復。脊椎修復機器人微創(chuàng)外科機器人在立體定向手術中的應用微創(chuàng)外科機器人在立體定向手術中的應用立體定向外科手術是近年來迅速發(fā)展的微創(chuàng)傷外科手術方法，立體定向外科手術是近年來迅速發(fā)展的微創(chuàng)傷外科手術方法，但由于在手術中一直需要框架定位并支撐手術工具，從但由于在手術中一直需要框架定位并支撐手術工具，從而給病人帶來了一定痛苦和心理恐懼。另外人工調(diào)整導而給病人帶來了一定痛苦和心理恐懼。另外人工調(diào)整導向裝置，手續(xù)煩瑣，消耗時間，精度有限。向裝置，手續(xù)煩瑣，消耗時間，精度有限。微創(chuàng)外科機器人在手術中主要用于導航定位和輔助插入手術微創(chuàng)外科機器人在手術中主

27、要用于導航定位和輔助插入手術工具，可以使病人擺脫框架的痛苦，同時機器人輔助立工具，可以使病人擺脫框架的痛苦，同時機器人輔助立體定向外科手術還具有操作穩(wěn)定，定位精度高的優(yōu)點。體定向外科手術還具有操作穩(wěn)定，定位精度高的優(yōu)點。微創(chuàng)外科機器人在其它手術中的應用微創(chuàng)外科機器人在其它手術中的應用英國的英國的Davies.B等人開發(fā)了用于切除前列腺瘤的微創(chuàng)外科機等人開發(fā)了用于切除前列腺瘤的微創(chuàng)外科機器人，器人，1990年在世界上首次實現(xiàn)利用機器人從病人身體年在世界上首次實現(xiàn)利用機器人從病人身體切除前列腺瘤組織的手術。切除前列腺瘤組織的手術。在心胸外科方面，美國的在心胸外科方面，美國的J.Kenneth Sa

28、lisbury研究了用于心瓣研究了用于心瓣修補手術的微創(chuàng)外科機器人系統(tǒng)。常規(guī)手術需要開胸，修補手術的微創(chuàng)外科機器人系統(tǒng)。常規(guī)手術需要開胸，而利用機器人的微創(chuàng)手術只需要開三個小洞，讓工具進而利用機器人的微創(chuàng)手術只需要開三個小洞，讓工具進入。入。9.4.2 康復機器人的應用康復機器人的應用1 康復訓練機器人康復訓練機器人殘障治療方法包括運動療法。康復訓練機器人就殘障治療方法包括運動療法。康復訓練機器人就主要應用于運動療法，例如，改善和預防四肢主要應用于運動療法，例如，改善和預防四肢運動性能低下、攣縮，讓關節(jié)在活動范圍內(nèi)進運動性能低下、攣縮，讓關節(jié)在活動范圍內(nèi)進行運動，增強肌肉力量的運動，增強耐力的

29、運行運動，增強肌肉力量的運動，增強耐力的運動，協(xié)調(diào)性訓練、步行訓練、體操治療等。動，協(xié)調(diào)性訓練、步行訓練、體操治療等。如果機器人搭載具有測量康復功能的儀器，就可如果機器人搭載具有測量康復功能的儀器，就可以定量采集訓練對象機能恢復過程中的數(shù)據(jù)，以定量采集訓練對象機能恢復過程中的數(shù)據(jù)，對恢復過程作定量的分析和評價，記錄康復的對恢復過程作定量的分析和評價，記錄康復的整個過程。如果被訓練者了解自己在訓練中的整個過程。如果被訓練者了解自己在訓練中的康復數(shù)據(jù)，也許能產(chǎn)生某種積極的反饋效果?？祻蛿?shù)據(jù)，也許能產(chǎn)生某種積極的反饋效果。康復訓練機器人的研究包括兩方面：上肢康復訓康復訓練機器人的研究包括兩方面：上肢

30、康復訓練機器人，用于手臂、手及腕部的康復訓練；練機器人，用于手臂、手及腕部的康復訓練；下肢康復訓練機器人，用于行走功能康復訓練。下肢康復訓練機器人，用于行走功能康復訓練。上肢康復訓練機器人上肢康復訓練機器人上肢康復醫(yī)療訓練機器人系統(tǒng)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，從系統(tǒng)上肢康復醫(yī)療訓練機器人系統(tǒng)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，從系統(tǒng)結構上分，主要包括三個階段：結構上分，主要包括三個階段：(1) 本地康復醫(yī)療訓練機器人系統(tǒng)本地康復醫(yī)療訓練機器人系統(tǒng)1991年，年，MIT設計完成了第一臺上肢康復訓練機器人系統(tǒng)設計完成了第一臺上肢康復訓練機器人系統(tǒng)MIT-MANUS，該設備采用五連桿機構，末端阻抗較小，該設備采用五連桿機構，末

31、端阻抗較小，利用阻抗控制實現(xiàn)訓練的安全性、穩(wěn)定性和平順性，利用阻抗控制實現(xiàn)訓練的安全性、穩(wěn)定性和平順性，用于病人的肩、肘運動。用于病人的肩、肘運動。 MIT-MANUS系統(tǒng)圖o2019年，瑞士蘇黎世大學的Nef等開發(fā)了一種新型的上肢康復機器人ARMin，它是一種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，能夠進行肘部屈伸和肩膀的空間運動，用于臨床訓練上肢損傷患者日常生活中的活動。o上述這些設備的不足之處是機器人系統(tǒng)比較復雜，而且沒有利用網(wǎng)絡，因此患者不能在家根據(jù)治療師的指導進行康復訓練。o(2) 遠程康復醫(yī)療訓練機器人系統(tǒng)o2019年，斯坦福大學和芝加哥康復研究所聯(lián)合研制了一種

32、便攜式家用遠程康復系統(tǒng)，這是一種主從式的遙操作系統(tǒng)，由主手、從手以及各自的控制器組成，從手引導患者進行康復運動并檢測和記錄運動信息，主手作為醫(yī)生提供控制和監(jiān)控的交換設備，通過網(wǎng)絡發(fā)送命令并接受從手的運動信急，實現(xiàn)中風患者肘部的康復訓練，該系統(tǒng)可以傳輸治療師指令及相關信息，治療師可以檢測患者并監(jiān)控訓練過程。(3) 基于虛擬環(huán)境的康復醫(yī)療訓練機器人系統(tǒng)基于虛擬環(huán)境的康復醫(yī)療訓練機器人系統(tǒng)為了鼓勵患者進行康復訓練，提高康復訓練的效果，在訓練過程中吸為了鼓勵患者進行康復訓練，提高康復訓練的效果，在訓練過程中吸引患者的興趣十分重要。虛擬環(huán)境技術的發(fā)展使這種思想得以實引患者的興趣十分重要。虛擬環(huán)境技術的發(fā)

33、展使這種思想得以實現(xiàn)，研究者們采用基于虛擬環(huán)境的用戶界面，通過一些小游戲鼓現(xiàn)，研究者們采用基于虛擬環(huán)境的用戶界面，通過一些小游戲鼓勵患者進行主動訓練。基于虛擬環(huán)境的康復訓練通常與網(wǎng)絡相結勵患者進行主動訓練。基于虛擬環(huán)境的康復訓練通常與網(wǎng)絡相結合，因此，不僅具有遠程康復機器人系統(tǒng)的優(yōu)點，還提高了患者合，因此，不僅具有遠程康復機器人系統(tǒng)的優(yōu)點，還提高了患者進行康復訓練的能動性。進行康復訓練的能動性。Wisconsin醫(yī)學院和醫(yī)學院和Marquette大學研制了康復訓練機器人系統(tǒng)大學研制了康復訓練機器人系統(tǒng)TheraDrive，主要由，主要由3個商用的力反饋操縱輪和驅(qū)動軟件個商用的力反饋操縱輪和驅(qū)動

34、軟件SmartDriver構成，創(chuàng)建上肢康復治療虛擬環(huán)境界面，通過計算機構成，創(chuàng)建上肢康復治療虛擬環(huán)境界面，通過計算機游戲激發(fā)患者進行訓練。游戲激發(fā)患者進行訓練。虛擬環(huán)境對患者進行功能恢復訓練是一種很好的康復環(huán)境，目前基于虛擬環(huán)境對患者進行功能恢復訓練是一種很好的康復環(huán)境，目前基于虛擬環(huán)境的康復運動主要用于手部功能恢復的康復訓練。虛擬環(huán)境的康復運動主要用于手部功能恢復的康復訓練。下肢康復訓練機器人下肢康復訓練機器人下肢康復訓練機器人是根據(jù)康復醫(yī)學理論和人機合作機器人原下肢康復訓練機器人是根據(jù)康復醫(yī)學理論和人機合作機器人原理，通過一套計算機控制下的走步狀態(tài)控制系統(tǒng)，使患者理，通過一套計算機控制下

35、的走步狀態(tài)控制系統(tǒng)，使患者模擬正常人的步伐規(guī)律作康復訓練運動，鍛煉下肢的肌肉模擬正常人的步伐規(guī)律作康復訓練運動，鍛煉下肢的肌肉，恢復神經(jīng)系統(tǒng)對行走功能的控制能力，達到恢復走路機，恢復神經(jīng)系統(tǒng)對行走功能的控制能力，達到恢復走路機能的目的。能的目的。(1) 關節(jié)活動范圍運動關節(jié)活動范圍運動進行關節(jié)活動范圍運動的目的是改善和預防四肢運動性能低下進行關節(jié)活動范圍運動的目的是改善和預防四肢運動性能低下或攣縮。膝部經(jīng)過整形外科手術后，需要結合被動運動來或攣縮。膝部經(jīng)過整形外科手術后，需要結合被動運動來恢復關節(jié)的功能。通常的方法是借助于恢復關節(jié)的功能。通常的方法是借助于CPM(Continuous Pass

36、ive Motion，持續(xù)被動運動，持續(xù)被動運動)安裝，通過反復進行某一個安裝，通過反復進行某一個模式的運動訓練起到預防攣縮的作用。模式的運動訓練起到預防攣縮的作用。(2) 步行訓練步行訓練骨折或關節(jié)手術后，或中風后，患者在步行訓練前首先需要在骨折或關節(jié)手術后，或中風后，患者在步行訓練前首先需要在病床上進行肌肉力量強化訓練，然后分階段依次進行起坐病床上進行肌肉力量強化訓練，然后分階段依次進行起坐、輪椅移動訓練、斜面起立訓練，然后進入利用平行桿、輪椅移動訓練、斜面起立訓練，然后進入利用平行桿、步行器、手杖的步行訓練。步行器、手杖的步行訓練。o顯然病情不同，步行訓練的內(nèi)容也不應該千篇一律。一般來說

37、，骨折后或關節(jié)手術后應該以負荷訓練為主，中風后則應該視患者肌肉力量的情況選擇適當?shù)牟叫杏柧殹２叫杏柧毧梢栽趹业跗胶庵劐N的跑臺上進行，但應該根據(jù)被訓練者殘留機能的大小選擇適當?shù)挠柧殢姸?。德國生產(chǎn)的一種主動活動器CAMOPED，主要是以健康腿的運動來幫助患腿的被動訓練，能夠有效地幫助患者恢復其本體感覺，因此患者的協(xié)調(diào)功能也能得到更早的恢復。主被動活動器CAMOPED瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)大學(ETH)在腿部康復機構、走步狀態(tài)分析方面取得了一些成果，在漢諾威2019年世界工業(yè)展覽會上展出了名為LOKOMAT的康復機器人。日本的Makikawa實驗室結合機器人技術、生物信號測量技術、虛擬現(xiàn)實技術研制出一種

38、下肢康復機器人。 LOKOMAT機器人 Makikawa的機器人 德國柏林自由大學(FREE UNIVERSITY BERLIN)開展了腿部康復機器人的研究，并研制了MGT型康復機器人樣機。美國的RUTGERS大學開展了腳部康復機器人的研究，并研制了RUTGER踝部康復訓練機器人樣機。德國Fraunhofer研究所開展了腿部康復機器人的研究，研制了繩驅(qū)動康復訓練機器人。 MGT型下肢康復訓練機器人 踝關節(jié)康復訓練機器人我國研制的一種下肢康復訓練機器人外觀結構圖德國Fraunhofer研究所研制的繩驅(qū)動康復訓練機器人2 輔助型康復機器人輔助型康復機器人機器人輪椅機器人輪椅機器人輪椅是將智能機器人

39、技術機器人輪椅是將智能機器人技術應用于電動輪椅上，融合了應用于電動輪椅上，融合了機構設計、傳感技術、機器機構設計、傳感技術、機器視覺、機器人導航和定位、視覺、機器人導航和定位、模式識別、信息處理以及人模式識別、信息處理以及人機交互等先進技術，從而使機交互等先進技術，從而使輪椅變成了高度自動化的移輪椅變成了高度自動化的移動機器人。動機器人。機器人輪椅主要有口令識別與語機器人輪椅主要有口令識別與語音合成、機器人自定位、動音合成、機器人自定位、動態(tài)隨機避障、多傳感器信息態(tài)隨機避障、多傳感器信息融合、實時自適應導航控制融合、實時自適應導航控制等功能。等功能。中國科學院自動化研究所也成功研制了一種具有視

40、覺和口令導航功能并能與人進行語音交互的機器人輪椅導盲機器人導盲機器人視覺殘障者的行走輔助裝備一般采用盲人安全杖，少數(shù)借視覺殘障者的行走輔助裝備一般采用盲人安全杖，少數(shù)借助于導盲犬。除了傳統(tǒng)的手杖和導盲犬，各國一直致力助于導盲犬。除了傳統(tǒng)的手杖和導盲犬，各國一直致力導盲機器人的研制。目前導盲機器大致上可分為以下導盲機器人的研制。目前導盲機器大致上可分為以下5類：類： 電子式導盲器電子式導盲器移動式機器人移動式機器人穿戴式導盲器穿戴式導盲器導引式手杖導引式手杖手機語音導盲手機語音導盲導盲機器人機器人護士機器人護士機器人護士可以完成以下各項任務：運送醫(yī)療器材、藥品、機器人護士可以完成以下各項任務：運

41、送醫(yī)療器材、藥品、運送試驗樣品及試驗結果，為病人送飯、送病歷、報表運送試驗樣品及試驗結果，為病人送飯、送病歷、報表及信件，幫助病人進食、挪動、入浴、入廁，在醫(yī)院內(nèi)及信件，幫助病人進食、挪動、入浴、入廁，在醫(yī)院內(nèi)部送郵件及包裹等。部送郵件及包裹等。日本醫(yī)療福利機器人研究所、富士通、安川電機合作開發(fā)了日本醫(yī)療福利機器人研究所、富士通、安川電機合作開發(fā)了HelpMate SP機器人搬運系統(tǒng)，其用途是負責醫(yī)院內(nèi)部的機器人搬運系統(tǒng)，其用途是負責醫(yī)院內(nèi)部的藥品、送檢物品、食物、卡片等的運輸，還能做到給老藥品、送檢物品、食物、卡片等的運輸，還能做到給老年人、殘障者配膳、送膳自動化，這樣有利于延長面對年人、殘

42、障者配膳、送膳自動化，這樣有利于延長面對面護理患者的時間，提高護理質(zhì)量面護理患者的時間，提高護理質(zhì)量SECOMU進食護理機器人Regina機器人日本Logic Machine）護士助手機器人機器人假肢機器人假肢假肢是人缺損肢體的替代物，用以彌補缺損肢體的形狀與功假肢是人缺損肢體的替代物，用以彌補缺損肢體的形狀與功能。假肢分上肢、下肢。上肢假肢又分為假手、前臂假能。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、大腿假肢和上臂假肢；下肢假肢分為假腿、小腿假肢、大腿假肢等。肢等。在假肢技術發(fā)展的歷程中，肌電控制的上肢假肢和步態(tài)可控在假肢技術發(fā)展的歷程中，肌電控

43、制的上肢假肢和步態(tài)可控的下肢假肢是現(xiàn)代假肢技術的標志性成果。肌電假肢由的下肢假肢是現(xiàn)代假肢技術的標志性成果。肌電假肢由電動假肢發(fā)展而來，它利用肌電信號取代機械式觸動開電動假肢發(fā)展而來，它利用肌電信號取代機械式觸動開關實現(xiàn)對上肢的控制，對于肘關節(jié)以上截肢的患者，提關實現(xiàn)對上肢的控制，對于肘關節(jié)以上截肢的患者，提取多路肌電信號同時控制多關節(jié)運動的技術難度大且可取多路肌電信號同時控制多關節(jié)運動的技術難度大且可靠性差，因而仍以安裝電動假肢為主。下肢假肢的設計靠性差，因而仍以安裝電動假肢為主。下肢假肢的設計一直在追求站立期的穩(wěn)定性和擺動期的步態(tài)仿生性，以一直在追求站立期的穩(wěn)定性和擺動期的步態(tài)仿生性，以及

44、減少體力消耗，對于膝關節(jié)和假腳，上述問題尤其突及減少體力消耗，對于膝關節(jié)和假腳，上述問題尤其突出。膝關節(jié)機構已從單鏈發(fā)展到四桿機構，近年又出現(xiàn)出。膝關節(jié)機構已從單鏈發(fā)展到四桿機構，近年又出現(xiàn)六桿機構膝關節(jié)，除了保證站立期關節(jié)可靠鎖定，站立六桿機構膝關節(jié)，除了保證站立期關節(jié)可靠鎖定，站立末期自動解鎖，還能實現(xiàn)擺動期步態(tài)的仿生性。使用這末期自動解鎖，還能實現(xiàn)擺動期步態(tài)的仿生性。使用這種全功能膝關節(jié)行走所需的髖關節(jié)力矩小，從而降低了種全功能膝關節(jié)行走所需的髖關節(jié)力矩小，從而降低了行走時的體能消耗。行走時的體能消耗。o目前假手的研究是國際機器人領域的一個熱點。假手的設計包括以下標準：具有多種抓握模式并根據(jù)物體的形狀自動調(diào)節(jié)；物體的紋理、形狀和溫度可作為反饋信息；具有本體感覺；重量輕，外觀好；可以在潛意識下控制。新型超輕假手 基于肌電控制的康復假手9.4.3 醫(yī)用機器人的應用實例醫(yī)用機器人的應用實例1 在微創(chuàng)外科手術中的應用實例在微創(chuàng)外科手術中的應用實例在在2019年舉行的年舉行的“中美醫(yī)用機器人臨