《醫(yī)用機(jī)器人》演示PPT

1、機(jī)器人引論第9章 醫(yī)用機(jī)器人第9章 醫(yī)用機(jī)器人o 9.1 醫(yī)用機(jī)器人的特點(diǎn)o 9.2 醫(yī)用機(jī)器人的分類o 9.3 醫(yī)用機(jī)器人的控制o 9.4 醫(yī)用機(jī)器人的應(yīng)用9.1 醫(yī)用機(jī)器人的特點(diǎn)醫(yī)用機(jī)器人的特點(diǎn)o 醫(yī)用機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人在以下方面具有顯著的區(qū)別：n(1) 直接與人（患者、護(hù)理人員等）接觸。n(2) 作業(yè)內(nèi)容變化無常。n(3) 不能發(fā)生誤動(dòng)作。n(4) 機(jī)器人的使用者都是非專業(yè)人員。o 醫(yī)用機(jī)器人的對(duì)象主要是病人，所關(guān)注的是人的生命，所以對(duì)機(jī)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(jī)器人還具有定位準(zhǔn)確、狀態(tài)穩(wěn)定、可以實(shí)現(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)，能大大的提高手

2、術(shù)的質(zhì)量。9.2 醫(yī)用機(jī)器人的分類醫(yī)用機(jī)器人的分類應(yīng)用領(lǐng)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(shù)支援機(jī)器人、顯微外科支援機(jī)器人、放射線治療標(biāo)的定位裝置等醫(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)窺鏡下的手術(shù)仿真生物科學(xué)支援顯微受精支援系統(tǒng)、細(xì)胞操作9.2.1 醫(yī)用外科機(jī)器人醫(yī)用外科機(jī)器人1 計(jì)算機(jī)外科計(jì)算機(jī)外科o在術(shù)前利用X射線、MRI-CT等各種三維醫(yī)用圖像測

3、量技術(shù)，獲得器官的三維構(gòu)造信息，并據(jù)此建立對(duì)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（PET）、核磁共振圖像（f-MRI）、腦磁場測量（MEG）等檢測方法把功能信息和解剖學(xué)信息綜合起來建模，再通過反復(fù)的外科手術(shù)仿真，建立手術(shù)綜合規(guī)劃。o利用術(shù)前的手術(shù)規(guī)劃信息控制高精度的機(jī)械系統(tǒng)，有利于高精度手術(shù)的實(shí)施，甚至有人正在將此技術(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單的距離分隔，還包括醫(yī)師的手臂無法到達(dá)部位的作業(yè)。手術(shù)支援機(jī)器人就是這樣一種高性能的手術(shù)器械，它相當(dāng)于外科醫(yī)師的一只“新手”。o計(jì)算機(jī)外科（computer aided surger

4、y）就是在上述機(jī)電一體化技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的外科手術(shù)的支援技術(shù)。2 手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)o手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的功能是在計(jì)算機(jī)的顯示器上顯示出斷層圖像或三維CG，在手術(shù)操作過程中把手術(shù)部位的圖像實(shí)時(shí)顯示在CG上。由于手術(shù)醫(yī)師能夠自如地掌握操作部位及其周圍的三維結(jié)構(gòu)，因此可以提高手術(shù)的安全性、效率和有效性。目前有人正在研究一種更高級(jí)的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)，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(shí)際空間與虛擬空間信息正確地重疊在一起，以構(gòu)建用于手術(shù)空間導(dǎo)航信息提示的超現(xiàn)實(shí)感環(huán)境。o手術(shù)導(dǎo)航位置測量系統(tǒng)除了對(duì)再現(xiàn)性和精度有要求之外，由于它是在手術(shù)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(jī)

5、械式、光學(xué)式和磁性式。3 醫(yī)用外科機(jī)器人的分類醫(yī)用外科機(jī)器人的分類分類方式種 類功 能按應(yīng)用形態(tài)分類導(dǎo)航機(jī)器人手術(shù)器械等的輔助定位治療機(jī)器人主動(dòng)手術(shù)鉗主從機(jī)械手按產(chǎn)生的力分類被動(dòng)型機(jī)器人手術(shù)醫(yī)師動(dòng)作的約束手術(shù)醫(yī)師操作的修正主動(dòng)型機(jī)器人產(chǎn)生自主力完成動(dòng)作按控制方式分類術(shù)前規(guī)劃固定作業(yè)型由術(shù)前圖像構(gòu)成的三維位置數(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)的輔助裝置，使手術(shù)醫(yī)師的作業(yè)更為多樣化4 醫(yī)用外科機(jī)器人系統(tǒng)的醫(yī)用外科機(jī)器人系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)o醫(yī)用外科機(jī)器人系統(tǒng)集中了多個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)和工程技術(shù)，它既不同于工業(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)具有高度的

6、自主性。由于外科手術(shù)比較復(fù)雜，外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)工作過程一般可以分為數(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)工作過程o 醫(yī)用外科機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域，它涉及機(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，涉及面廣，研究內(nèi)容廣泛。9.2.2 康復(fù)機(jī)器人康復(fù)機(jī)器人o康復(fù)機(jī)器人作為一種自動(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)有效的康復(fù)訓(xùn)練，可以使患者的運(yùn)動(dòng)機(jī)能得到更好的恢復(fù)。醫(yī)學(xué)理論和臨床醫(yī)學(xué)證明，肢體損傷或偏癱患者除了早期的手術(shù)治療和必要的藥物治療外，正確、科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練對(duì)于肢體運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)和提高起到非常重要

7、的作用。o康復(fù)機(jī)器人由計(jì)算機(jī)控制，并配以相應(yīng)的傳感器和安全系統(tǒng)，康復(fù)訓(xùn)練在設(shè)定的程序下自動(dòng)進(jìn)行，可以自動(dòng)評(píng)價(jià)康復(fù)訓(xùn)練效果，根據(jù)患者的實(shí)際情況調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳訓(xùn)練。康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等國家得到科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，許多研究機(jī)構(gòu)都開展了相關(guān)的研究工作，近年來取得了一些有價(jià)值的成果。分 類應(yīng)用領(lǐng)域說 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、手及腕部的康復(fù)訓(xùn)練下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人用于行走功能康復(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)器人輔助或替代殘障人士由于身體機(jī)能缺失或減弱而無法實(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

8、于老年人或殘障人士護(hù)理作業(yè)的機(jī)器人，如機(jī)器人護(hù)士9.2.3 醫(yī)學(xué)教育機(jī)器人醫(yī)學(xué)教育機(jī)器人o 隨著動(dòng)物保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，今后利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)輔助醫(yī)學(xué)教育的限制會(huì)日漸增多。與其矛盾的是，醫(yī)療器械越先進(jìn)，器械操作的訓(xùn)練要求也就越高。實(shí)際上，人們開發(fā)了各種手術(shù)訓(xùn)練的仿真器，如心肺移植手術(shù)訓(xùn)練仿真器等。o 這些系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立了臟器的三維模型和力學(xué)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(shù)者能夠感覺到的反作用力通過機(jī)器人手臂向醫(yī)師反饋，這樣可以通過治療仿真進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練。例如，具有大腸力學(xué)模型和可提示力覺機(jī)構(gòu)的大腸鏡插入訓(xùn)練系統(tǒng)，以及各種內(nèi)窺鏡手術(shù)仿真器械等。9.3 醫(yī)用機(jī)器人的控制醫(yī)用機(jī)器人

9、的控制o 醫(yī)用機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：o(1) 具有開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以利于將來的發(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)兼容以方便用戶使用。o(2) 要有合理的模塊化設(shè)計(jì)。對(duì)于醫(yī)用機(jī)器人，不僅要求其機(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)能夠根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性以及軟件結(jié)構(gòu)做到模塊化設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)不僅方便安裝和系統(tǒng)維護(hù)，而且能夠提高系統(tǒng)的可靠性。o(3) 具有有效的任務(wù)劃分。不同的子任務(wù)由不同的功能模塊來實(shí)現(xiàn)，這樣有利于修改、 添加和配置系統(tǒng)的功能。o(4) 實(shí)時(shí)性、多任務(wù)要求。機(jī)器人控制器能在確定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)外部中斷的處理， 并 且可以使多個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行。o(5)

10、 友好的人機(jī)接口。形象直觀的人機(jī)接口可以方便操作人員對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操作，友好的人機(jī)界面是醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)不可缺少的一部分。o(6) 有時(shí)具有手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(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)部的位置關(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。o 醫(yī)用機(jī)器人的控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：n運(yùn)動(dòng)控制即位置伺服功能n規(guī)劃與調(diào)度功能n檢測功能n交互功能即友好的人機(jī)接口n手術(shù)導(dǎo)航功能n很高的可靠性和故障處理能力醫(yī)用機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9.4 醫(yī)用機(jī)器人的應(yīng)用醫(yī)用機(jī)器人的應(yīng)用9.4.1 醫(yī)用外科機(jī)器人的應(yīng)用醫(yī)用外科

11、機(jī)器人的應(yīng)用o 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)前診斷和手術(shù)規(guī)劃，在手術(shù)中提供可視化導(dǎo)引或監(jiān)視服務(wù)功能，輔助醫(yī)生高質(zhì)量地完成手術(shù)操作的機(jī)器人集成系統(tǒng)。1 內(nèi)窺鏡操作手內(nèi)窺鏡操作手o在腹腔鏡手術(shù)中，主刀醫(yī)師在內(nèi)窺鏡的視野范圍內(nèi)實(shí)施各種外科處置，操作內(nèi)窺鏡的任務(wù)通常交給助手完成。但助手在保持內(nèi)窺鏡的時(shí)候難免手顫動(dòng)，由此會(huì)造成圖像的模糊。因此在腹腔鏡手術(shù)中出現(xiàn)了內(nèi)窺鏡機(jī)械手，這是一個(gè)依據(jù)醫(yī)師的操作保持內(nèi)窺鏡（腹腔鏡等）位置的機(jī)械手系統(tǒng)。右圖為小林等開發(fā)的腹腔鏡手術(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)因素。機(jī)器人采用5連桿機(jī)構(gòu)，它的組成部分有球形關(guān)節(jié)部分

12、（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)的作用是從物理上把驅(qū)動(dòng)部分與患者隔開，并增加了內(nèi)窺鏡的自動(dòng)調(diào)焦功能，克服傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡必須進(jìn)行前后移動(dòng)才能縮放病灶圖像的缺點(diǎn)。這樣，機(jī)械手的動(dòng)作范圍被約束在有限的二維平面內(nèi)，大大降低了醫(yī)師、患者和機(jī)械手之間的干涉，提高了安全性。2 整形外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)整形外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)o在整形外科中，術(shù)前診斷可以獲得對(duì)象部位的三維位置和形狀測量結(jié)構(gòu)，再借助于術(shù)前規(guī)劃手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，就可以在手術(shù)中將它穩(wěn)定地再現(xiàn)出來。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)的系統(tǒng)按照術(shù)前規(guī)劃正確地實(shí)施了切削骨骼的手術(shù)，其結(jié)果是人工關(guān)節(jié)植入骨骼的精度比傳統(tǒng)手術(shù)更

13、高。o德國Berlin大學(xué)長期開展醫(yī)用外科機(jī)器人的研究工作，他們分別研究了機(jī)器人在頜面整形、牙科整形、放射外科中的應(yīng)用。系統(tǒng)采用一套光電系統(tǒng)作為手術(shù)導(dǎo)航工具，機(jī)器人則采用改造后的PUMA工業(yè)機(jī)器人。他們還開發(fā)了多種適合于機(jī)器人末端夾持的手術(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，但是在醫(yī)用外科機(jī)器人本體設(shè)計(jì)方面研究不多。我國北京大學(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的應(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)來獲取生成無牙頜患者的口腔軟硬組織計(jì)算機(jī)模型，利用自行研制的非接觸式

14、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(jì)算機(jī)輔助統(tǒng)計(jì)。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(jī)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，同時(shí)還能避免專家因疲勞、情緒、疏忽等原因造成的失誤。3 穿刺手術(shù)機(jī)器人穿刺手術(shù)機(jī)器人o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(dǎo)阻滯法、椎體成形手術(shù)、腦神經(jīng)外科的淤血抽吸、肝臟外科的無線電波燒灼手術(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的引導(dǎo)下進(jìn)行的，最近出現(xiàn)了在MRI攝影引

15、導(dǎo)下實(shí)施的趨勢。o這種機(jī)械手必須設(shè)置在圖像設(shè)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(jī)器人在MRI裝置中工作，它既不應(yīng)該對(duì)MRI內(nèi)的磁場造成影響，又不應(yīng)該受到MRI高強(qiáng)度磁場的影響，因此它的結(jié)構(gòu)材料都應(yīng)該是非磁材料。顯然電磁式電機(jī)不適合做它的驅(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。4 遙控操作手術(shù)機(jī)器人遙控操作手術(shù)機(jī)器人o目前世界上至少有10個(gè)研究小組正在從事遠(yuǎn)距離外科手術(shù)系統(tǒng)的研究工作。美國Berkeley大學(xué)系統(tǒng)地開展了帶有力反饋和立體遠(yuǎn)程觸覺的遠(yuǎn)程醫(yī)療外科機(jī)器人的 研究，系統(tǒng)包括兩臺(tái)帶有靈巧手及觸覺傳感器的機(jī)械臂、力和觸覺反饋設(shè)備、改進(jìn)的成像和三維顯示系統(tǒng)，所有的設(shè)備都

16、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)雜的外科手術(shù)。斯坦福研究所經(jīng)過多年的努力，終于研制出了臨場感遠(yuǎn)程外科手術(shù)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)o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)透明的工作間，觀看手術(shù)室內(nèi)立體攝像機(jī)攝錄并傳送過來的手術(shù)室和病人的三維立體圖像。與此同時(shí)，外科醫(yī)生的兩手手指分別勾住操縱臺(tái)下兩臺(tái)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(xì)微動(dòng)作并把測量結(jié)果數(shù)字化，隨后傳送到兩只機(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)傳來手術(shù)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

17、科醫(yī)生是在病人圖像上作手術(shù)，但感覺卻與普通手術(shù)無異。機(jī)械手還會(huì)通過傳感器把手術(shù)時(shí)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(dòng)物，但真正能為人安全地實(shí)施手術(shù)還需要很長的時(shí)間，還有很多問題有待解決。5 微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人o微創(chuàng)外科手術(shù)是在病人身體上打開一個(gè)或幾個(gè)小孔，外科醫(yī)生借助于各種視覺圖像設(shè)備和先進(jìn)靈巧手術(shù)器械裝備，將手術(shù)器械經(jīng)過小切口進(jìn)入人體進(jìn)行治療或診斷。與傳統(tǒng)手術(shù)相比，微創(chuàng)外科手術(shù)對(duì)健康組織的創(chuàng)傷小，并且病人體表傷口明顯縮小。o微創(chuàng)外科手術(shù)可以分為內(nèi)窺鏡引導(dǎo)的微創(chuàng)手術(shù)和體外圖像引導(dǎo)的微創(chuàng)手術(shù)兩種類型。微創(chuàng)外科機(jī)器人微創(chuàng)外科機(jī)器人在內(nèi)窺鏡手在內(nèi)窺鏡手術(shù)中的應(yīng)用術(shù)

18、中的應(yīng)用o 以腹腔鏡手術(shù)為例。內(nèi)窺鏡手術(shù)支援機(jī)器人的自由度構(gòu)成微創(chuàng)外科機(jī)器人在整形手術(shù)中的應(yīng)用微創(chuàng)外科機(jī)器人在整形手術(shù)中的應(yīng)用o微創(chuàng)外科機(jī)器人在整形手術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樵谶M(jìn)行骨骼切割和關(guān)節(jié)置換時(shí)，機(jī)器人的操作精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于醫(yī)生，而且手術(shù)的自動(dòng)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(xué)RH.Taylor開發(fā)的用于關(guān)節(jié)置換手術(shù)的ROBODOC機(jī)器人系統(tǒng)。微創(chuàng)外科機(jī)器人還被用于脊椎的修復(fù)。脊椎修復(fù)機(jī)器人微創(chuàng)外科機(jī)器人在立體定向手術(shù)中的應(yīng)用微創(chuàng)外科機(jī)器人在立體定向手術(shù)中的應(yīng)用o立體定向外科手術(shù)是近年來迅速發(fā)展的微創(chuàng)傷外科手術(shù)方法，但由于在手術(shù)中一直需要框架定位并支撐手術(shù)工具，從

19、而給病人帶來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。o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，可以使病人擺脫框架的痛苦，同時(shí)機(jī)器人輔助立體定向外科手術(shù)還具有操作穩(wěn)定，定位精度高的優(yōu)點(diǎn)。微創(chuàng)外科機(jī)器人在其它手術(shù)中的應(yīng)用微創(chuàng)外科機(jī)器人在其它手術(shù)中的應(yīng)用o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(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的手術(shù)。o在心胸外科方面，美國的J.Kenneth Salisbury研究了用于心瓣修補(bǔ)手術(shù)的微創(chuàng)外科機(jī)器人系統(tǒng)。常規(guī)手術(shù)需要開胸，而利用機(jī)器人的微創(chuàng)手術(shù)只需要開三個(gè)小洞

20、，讓工具進(jìn)入。9.4.2 康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用1 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人o殘障治療方法包括運(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，例如，改善和預(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)肌肉力量的運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)耐力的運(yùn)動(dòng)，協(xié)調(diào)性訓(xùn)練、步行訓(xùn)練、體操治療等。o如果機(jī)器人搭載具有測量康復(fù)功能的儀器，就可以定量采集訓(xùn)練對(duì)象機(jī)能恢復(fù)過程中的數(shù)據(jù)，對(duì)恢復(fù)過程作定量的分析和評(píng)價(jià)，記錄康復(fù)的整個(gè)過程。如果被訓(xùn)練者了解自己在訓(xùn)練中的康復(fù)數(shù)據(jù)，也許能產(chǎn)生某種積極的反饋效果。o康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究包括兩方面：上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，用于手臂、手及腕部的康復(fù)訓(xùn)練；下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，

21、用于行走功能康復(fù)訓(xùn)練。上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人o上肢康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上分，主要包括三個(gè)階段：(1) 本地康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)本地康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)o1991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)備采用五連桿機(jī)構(gòu)，末端阻抗較小，利用阻抗控制實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練的安全性、穩(wěn)定性和平順性，用于病人的肩、肘運(yùn)動(dòng)。 MIT-MANUS系統(tǒng)圖o2005年，瑞士蘇黎世大學(xué)的Nef等開發(fā)了一種新型的上肢康復(fù)機(jī)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(jìn)行肘部屈伸和肩膀的空間運(yùn)動(dòng)，用于臨床訓(xùn)練

22、上肢損傷患者日常生活中的活動(dòng)。o上述這些設(shè)備的不足之處是機(jī)器人系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且沒有利用網(wǎng)絡(luò)，因此患者不能在家根據(jù)治療師的指導(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)遠(yuǎn)程康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)o2005年，斯坦福大學(xué)和芝加哥康復(fù)研究所聯(lián)合研制了一種便攜式家用遠(yuǎn)程康復(fù)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(dǎo)患者進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)并檢測和記錄運(yùn)動(dòng)信息，主手作為醫(yī)生提供控制和監(jiān)控的交換設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令并接受從手的運(yùn)動(dòng)信急，實(shí)現(xiàn)中風(fēng)患者肘部的康復(fù)訓(xùn)練，該系統(tǒng)可以傳輸治療師指令及相關(guān)信息，治療師可以檢測患者并監(jiān)控訓(xùn)練過程。(3) 基于虛擬環(huán)境的康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器

23、人系統(tǒng)基于虛擬環(huán)境的康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)o為了鼓勵(lì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，提高康復(fù)訓(xùn)練的效果，在訓(xùn)練過程中吸引患者的興趣十分重要。虛擬環(huán)境技術(shù)的發(fā)展使這種思想得以實(shí)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(lì)患者進(jìn)行主動(dòng)訓(xùn)練?；谔摂M環(huán)境的康復(fù)訓(xùn)練通常與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，因此，不僅具有遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，還提高了患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的能動(dòng)性。oWisconsin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)商用的力反饋操縱輪和驅(qū)動(dòng)軟件SmartDriver構(gòu)成，創(chuàng)建上肢康復(fù)治療虛擬環(huán)境界面，通過計(jì)算機(jī)游戲激發(fā)患者進(jìn)行訓(xùn)練。o虛擬環(huán)境對(duì)患者進(jìn)行功能恢

24、復(fù)訓(xùn)練是一種很好的康復(fù)環(huán)境，目前基于虛擬環(huán)境的康復(fù)運(yùn)動(dòng)主要用于手部功能恢復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人o下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是根據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)理論和人機(jī)合作機(jī)器人原理，通過一套計(jì)算機(jī)控制下的走步狀態(tài)控制系統(tǒng)，使患者模擬正常人的步伐規(guī)律作康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)，鍛煉下肢的肌肉，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)行走功能的控制能力，達(dá)到恢復(fù)走路機(jī)能的目的。(1) 關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍運(yùn)動(dòng)o進(jìn)行關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍運(yùn)動(dòng)的目的是改善和預(yù)防四肢運(yùn)動(dòng)性能低下或攣縮。膝部經(jīng)過整形外科手術(shù)后，需要結(jié)合被動(dòng)運(yùn)動(dòng)來恢復(fù)關(guān)節(jié)的功能。通常的方法是借助于CPM(Continuous Passive Motion，持續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng))裝置，通

25、過反復(fù)進(jìn)行某一個(gè)模式的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練起到預(yù)防攣縮的作用。(2) 步行訓(xùn)練步行訓(xùn)練o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、手杖的步行訓(xùn)練。o顯然病情不同，步行訓(xùn)練的內(nèi)容也不應(yīng)該千篇一律。一般來說，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)該視患者肌肉力量的情況選擇適當(dāng)?shù)牟叫杏?xùn)練。步行訓(xùn)練可以在懸吊平衡重錘的跑臺(tái)上進(jìn)行，但應(yīng)該根據(jù)被訓(xùn)練者殘留機(jī)能的大小選擇適當(dāng)?shù)挠?xùn)練強(qiáng)度。德國生產(chǎn)的一種主動(dòng)活動(dòng)器CAMOPED，主要是以健康腿的運(yùn)動(dòng)來幫助患腿的被動(dòng)訓(xùn)練，能夠有效地幫助患者恢復(fù)其

26、本體感覺，因此患者的協(xié)調(diào)功能也能得到更早的恢復(fù)。主被動(dòng)活動(dòng)器CAMOPED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成果，在漢諾威2001年世界工業(yè)展覽會(huì)上展出了名為LOKOMAT的康復(fù)機(jī)器人。日本的Makikawa實(shí)驗(yàn)室結(jié)合機(jī)器人技術(shù)、生物信號(hào)測量技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研制出一種下肢康復(fù)機(jī)器人。 LOKOMAT機(jī)器人 Makikawa的機(jī)器人 德國柏林自由大學(xué)(FREE UNIVERSITY BERLIN)開展了腿部康復(fù)機(jī)器人的研究，并研制了MGT型康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)。美國的RUTGERS大學(xué)開展了腳部康復(fù)機(jī)器人的研究，并研制了RUTGER踝部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人樣機(jī)。德國

27、Fraunhofer研究所開展了腿部康復(fù)機(jī)器人的研究，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)器人我國研制的一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外觀結(jié)構(gòu)圖德國Fraunhofer研究所研制的繩驅(qū)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人2 輔助型康復(fù)機(jī)器人輔助型康復(fù)機(jī)器人機(jī)器人輪椅機(jī)器人輪椅o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、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)化的移動(dòng)機(jī)器人。o機(jī)器人輪椅主要有口令識(shí)別與語音合成、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)航控制等功能。中國科學(xué)院自動(dòng)化研究

28、所也成功研制了一種具有視覺和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語音交互的機(jī)器人輪椅導(dǎo)盲機(jī)器人導(dǎo)盲機(jī)器人o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(dǎo)盲犬。除了傳統(tǒng)的手杖和導(dǎo)盲犬，各國一直致力導(dǎo)盲機(jī)器人的研制。目前導(dǎo)盲機(jī)器大致上可分為以下5類：o 電子式導(dǎo)盲器o移動(dòng)式機(jī)器人o穿戴式導(dǎo)盲器o導(dǎo)引式手杖o手機(jī)語音導(dǎo)盲導(dǎo)盲機(jī)器人機(jī)器人護(hù)士機(jī)器人護(hù)士o機(jī)器人護(hù)士可以完成以下各項(xiàng)任務(wù)：運(yùn)送醫(yī)療器材、藥品、運(yùn)送試驗(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。o日本醫(yī)療福利機(jī)器人研究所、富士通、安川電機(jī)合作開發(fā)了HelpMate SP機(jī)器人搬運(yùn)系

29、統(tǒng)，其用途是負(fù)責(zé)醫(yī)院內(nèi)部的藥品、送檢物品、食物、卡片等的運(yùn)輸，還能做到給老年人、殘障者配膳、送膳自動(dòng)化，這樣有利于延長面對(duì)面護(hù)理患者的時(shí)間，提高護(hù)理質(zhì)量SECOMU進(jìn)食護(hù)理機(jī)器人Regina機(jī)器人（日本Logic Machine）護(hù)士助手機(jī)器人機(jī)器人假肢機(jī)器人假肢o假肢是人缺損肢體的替代物，用以彌補(bǔ)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、前臂假肢和上臂假肢；下肢假肢分為假腿、小腿假肢、大腿假肢等。o在假肢技術(shù)發(fā)展的歷程中，肌電控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(shù)的標(biāo)志性成果。肌電假肢由電動(dòng)假肢發(fā)展而來，它利用肌電信號(hào)取代機(jī)械式觸動(dòng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)上肢的控制，對(duì)于肘關(guān)節(jié)

30、以上截肢的患者，提取多路肌電信號(hào)同時(shí)控制多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的技術(shù)難度大且可靠性差，因而仍以安裝電動(dòng)假肢為主。下肢假肢的設(shè)計(jì)一直在追求站立期的穩(wěn)定性和擺動(dòng)期的步態(tài)仿生性，以及減少體力消耗，對(duì)于膝關(guān)節(jié)和假腳，上述問題尤其突出。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)，除了保證站立期關(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)的仿生性。使用這種全功能膝關(guān)節(jié)行走所需的髖關(guān)節(jié)力矩小，從而降低了行走時(shí)的體能消耗。o目前假手的研究是國際機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。假手的設(shè)計(jì)包括以下標(biāo)準(zhǔn)：具有多種抓握模式并根據(jù)物體的形狀自動(dòng)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(shí)下控制。新型超輕假手 基于肌電控制的康復(fù)假手9.4