《骨科手術(shù)機(jī)器人》

1、整理課件,1,目錄,1.引言 2.手術(shù)機(jī)器人構(gòu)型 3.骨科手術(shù)機(jī)器人 4.CAOS系統(tǒng) 5.總結(jié),整理課件,2,引言,隨著交通事故的頻發(fā)和人們運(yùn)動(dòng)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(jī)器人，是近十幾年來發(fā)展比較迅速的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域，大部分是應(yīng)用計(jì)算機(jī)，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(jī)器臂完成一些醫(yī)生不能完成或完成得沒有機(jī)器好的動(dòng)作和步驟,整理課件,3,先進(jìn)機(jī)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(cè)、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)

2、的革命，也帶動(dòng)了新技術(shù)、新理論的發(fā)展,整理課件,4,手術(shù)機(jī)器人構(gòu)型,計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：手術(shù)機(jī)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(duì)于手術(shù)機(jī)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(diǎn);對(duì)手術(shù)器械定向，使其穿過切點(diǎn)到達(dá)手術(shù)部位,整理課件,5,針對(duì)上述要求，對(duì)于醫(yī)療外科機(jī)器人手臂，可以總結(jié)出設(shè)計(jì)的一般要求是: 1)易于實(shí)現(xiàn)高的定位精度; 2)運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)，易于醫(yī)生進(jìn)行人機(jī)交互; 3)在相同結(jié)構(gòu)尺寸下，工作空間盡量大; 4)在達(dá)到相同工作空間的條件下，手臂本體占據(jù)空間小,整理課件,6,為了達(dá)到空間一定范圍內(nèi)的

3、任意位置，機(jī)器人手臂至少要求有三個(gè)自由度。并且根據(jù)上述要求我們選擇串聯(lián)機(jī)構(gòu),機(jī)器人典型手臂結(jié)構(gòu)及性能 Typical arm structure and capability,整理課件,7,根據(jù)計(jì)算、實(shí)驗(yàn)及實(shí)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(jī)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(jī)器人屬于直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)；美國(guó)Zeus和Aesop機(jī)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),整理課件,8,手腕 當(dāng)被操作物體或工具有姿態(tài)要求時(shí)，就需要在機(jī)器人手臂末端聯(lián)接實(shí)現(xiàn)姿態(tài)要求的手腕。為便于控制，減小姿態(tài)

4、參數(shù)之間的干擾，根據(jù)所需要實(shí)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(jī)構(gòu)具有剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)慣性小，精度高等特點(diǎn)，可以采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)作手腕關(guān)節(jié),二自由度手腕串聯(lián)機(jī)構(gòu) 三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu),整理課件,9,并聯(lián)機(jī)構(gòu) 1965 年，德國(guó)Stewart發(fā)明了六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并作為飛行模擬器用于訓(xùn)練飛行員。1978年澳大利亞著名機(jī)構(gòu)學(xué)教授Hunt提出將并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于機(jī)器人手臂。1994年在芝加哥國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上首次展出了稱為“六足蟲”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數(shù)控機(jī)床與加工中心并引起了轟動(dòng),整理課件,10,串聯(lián)機(jī)構(gòu)與并聯(lián)機(jī)構(gòu)的對(duì)比,整理課件,11,骨科手術(shù)機(jī)器人,20世

5、紀(jì)80年代，機(jī)器人等自動(dòng)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(shì)。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(jī)器人技術(shù)，改善手術(shù)效果,整理課件,12,1985年，美國(guó)采用Puma560工業(yè)機(jī)器人完成了腦組織活檢中探針的導(dǎo)向定位。 1989年，英國(guó)的利用改進(jìn)的6自由度Puma機(jī)器人，開展了前列腺切除手術(shù)，大大縮短了手術(shù)操作時(shí)間。 1996年德國(guó)KuhnC研究了用于微損傷外科的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)。 1992年英國(guó)的DaviesBL研究了基于PUMA262的腦外科機(jī)器人系統(tǒng)； 1997年德

6、國(guó)的LuethTC研究了基于并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的用于頭部外科手術(shù)的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)； 2005美國(guó)的計(jì)算機(jī)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(jī)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(jī)器人,整理課件,13,哈工大輔助正骨機(jī)器人系統(tǒng) 北航 機(jī)器人牽引裝置,國(guó)內(nèi)也開展了醫(yī)療機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)。北京航空航天大學(xué)研制出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)用于醫(yī)療接骨的機(jī)器人樣機(jī),整理課件,14,計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)均具有以下的優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)：（1）定位更精準(zhǔn) （2）縮短X光照射時(shí)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)

7、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(jī)器人按醫(yī)生與機(jī)器人之間的關(guān)系可以分三類：主動(dòng)型、半主動(dòng)型和被動(dòng)型,整理課件,15,主動(dòng)型系統(tǒng) 主動(dòng)型CAOS，即使用機(jī)器人自主完成手術(shù)過程。世界上第一臺(tái)臨床應(yīng)用的主動(dòng)型CAOS是1992年美國(guó)Integrated Surgical System公司推出了ROBODOC機(jī)器人系統(tǒng)。ROBODOC是在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)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),整理課件,16,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

8、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)，同時(shí)在手術(shù)過程中機(jī)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,整理課件,17,Robodoc手術(shù)系統(tǒng),德國(guó)CASPAR手術(shù)系統(tǒng),整理課件,18,Mars手術(shù)系統(tǒng),半主動(dòng)型系統(tǒng) 半主動(dòng)型CAOS中機(jī)器人的動(dòng)作過程由醫(yī)生參與控制，而醫(yī)生的動(dòng)作又會(huì)被機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃的路徑加以限制,英國(guó)ACROBOT系統(tǒng),整理課件,19,被動(dòng)型系統(tǒng) 被動(dòng)型CAOS系統(tǒng)自身并不進(jìn)行手術(shù)操作，醫(yī)生具有完全的主動(dòng)控制權(quán)。被動(dòng)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

9、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(shí)用性來講是目前被接受程度最高的一類CAOS系統(tǒng),整理課件,20,crigos系統(tǒng) 美國(guó)顯微外科手術(shù)系統(tǒng),整理課件,21,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(shí)拍攝X光圖片加以補(bǔ)償,C型臂圖像導(dǎo)航系統(tǒng),整理課件,22,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(duì)象分，則可分為：全髖（膝）關(guān)節(jié)置換手術(shù)、骨折治療、腦外科、脊椎外科手術(shù)、以及骨骼整形等,整理課件,23,HipNav全膝關(guān)節(jié)置換系統(tǒng),美國(guó)NASA腦外科手術(shù)系統(tǒng),整理課件,24,美國(guó)脊柱手術(shù)系統(tǒng)及其測(cè)試環(huán)境,整理課件,25,遠(yuǎn)程

10、手術(shù) 手術(shù)機(jī)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(jī)器人的操作臂,控制操作臂來完成手術(shù)。2001年9月,在美國(guó)紐約的外科醫(yī)師通過觀看電視屏幕操縱機(jī)械手,遠(yuǎn)距離(7000 km外、橫跨大西洋，平均延時(shí)115ms)遙控位于法國(guó)斯特拉斯堡醫(yī)院手術(shù)室里的宙斯機(jī)器人,為一位68歲的患者成功進(jìn)行了腹腔鏡膽囊切除術(shù),整個(gè)手術(shù)僅耗時(shí)54min,術(shù)后無并發(fā)癥發(fā)生,整理課件,26,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(dòng)任何人的位置,世界上任何一個(gè)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(mèng)想將成為可能。這是遠(yuǎn)程手術(shù)的一個(gè)里程碑,標(biāo)志外科手術(shù)跨時(shí)代的飛躍,整理課件

11、,27,CAOS系統(tǒng),CAOS的組成 1.計(jì)算機(jī)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(duì)人體組織器官、機(jī)器人和手術(shù)器械進(jìn)行定位。 4.手術(shù)機(jī)器人：用來進(jìn)行術(shù)中立體定位和手術(shù)干預(yù),整理課件,28,對(duì)于CAOS系統(tǒng)的主要組成部分手術(shù)機(jī)器人，我們有以下要求： 1.選擇合適的機(jī)構(gòu)構(gòu)型：串聯(lián)機(jī)構(gòu)由于運(yùn)動(dòng)范圍大、動(dòng)作靈巧，適合于胸腔手術(shù)、腹腔手術(shù)等場(chǎng)合應(yīng)用，用于操持內(nèi)窺鏡或下場(chǎng)的手術(shù)器械；并聯(lián)機(jī)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、精度高、運(yùn)動(dòng)范圍小，適合于骨科等要求移動(dòng)量較小、出力大的場(chǎng)合。將串并兩結(jié)合，發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，是未來醫(yī)用機(jī)械的發(fā)展趨

12、勢(shì)； 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(jì)前應(yīng)充分了解手術(shù)過程，個(gè)機(jī)構(gòu)適合手術(shù)的特點(diǎn)，便于操作； 4.方便消毒，保證系統(tǒng)的安全性,整理課件,29,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,整理課件,30,2.術(shù)中干預(yù) (1)把患者固定在手術(shù)臺(tái)上并定位； (2)將切割三維模型輸入機(jī)器人控制器； (3)確定機(jī)器人和患者的基準(zhǔn)點(diǎn)； (4)機(jī)器人或醫(yī)生執(zhí)行手術(shù)動(dòng)作； (5)整個(gè)手術(shù)過程嚴(yán)格

13、監(jiān)視患者的移動(dòng),整理課件,31,3.術(shù)后評(píng)價(jià) (1)把機(jī)器人移離患者，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(jī)器人設(shè)計(jì),整理課件,32,CAOS系統(tǒng)存在的缺陷 （1）觸覺反饋體系的缺失 （2）手術(shù)機(jī)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(jī)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(shí)較長(zhǎng) ； （6）安全性問題較為復(fù)雜，涉及外科機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的機(jī)械約束、多傳感器監(jiān)測(cè)等技術(shù),目前還未能夠形成一個(gè)普遍承認(rèn)的安全標(biāo)準(zhǔn),整理課件,33,同時(shí)，國(guó)內(nèi)外在機(jī)器人輔助骨科手術(shù)方面主要是利用機(jī)器人輔助醫(yī)生完成操持器械、導(dǎo)航等功能操作，利用機(jī)器人直接完成手術(shù)的研究較少。 另一方面，目前醫(yī)療機(jī)器人設(shè)計(jì)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(jī)器人自身角度出發(fā)去研究醫(yī)療機(jī)器人建模、分析、優(yōu)化等設(shè)計(jì)理論的較少。由于利用的是通用的機(jī)器人技術(shù)，必然導(dǎo)致機(jī)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