骨科手術(shù)機器人專家講座

目錄1.引言2.手術(shù)機器人構(gòu)型3.骨科手術(shù)機器人4.CAOS系統(tǒng)5.總結(jié)骨科手術(shù)機器人專家講座第1頁引言伴隨交通事故頻發(fā)和人們運動損傷增多，創(chuàng)傷已經(jīng)成為全球第二大死因。所以，新骨科手術(shù)技術(shù)發(fā)展就顯得愈加有益。醫(yī)療機器人，是近十幾年來發(fā)展比較快速一個新應用領域，大部分是應用計算機，把患者影像資料如X光片、CT、核磁等進行疊加分析處理，然后依據(jù)分析結(jié)果，控制機器臂完成一些醫(yī)生不能完成或完成得沒有機器好動作和步驟。骨科手術(shù)機器人專家講座第2頁先進機器人技術(shù)在醫(yī)療外科手術(shù)規(guī)劃模擬、微損傷準確定位操作、無損傷診療與檢測、新型手術(shù)醫(yī)學治療方法等方面得到了廣泛應用，這不但促進了傳統(tǒng)醫(yī)學革命，也帶動了新技術(shù)、新理論發(fā)展。骨科手術(shù)機器人專家講座第3頁手術(shù)機器人構(gòu)型計算機輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包含：手術(shù)機器人、醫(yī)學三維圖像建模技術(shù)、虛擬手術(shù)仿真技術(shù)，遠程操作網(wǎng)絡技術(shù)等。對于手術(shù)機器人，其結(jié)構(gòu)由手腕和手臂兩部分組成，在手術(shù)中作用是：①將手腕末端和手術(shù)器械定位到切點;②對手術(shù)器械定向，使其穿過切點抵達手術(shù)部位。骨科手術(shù)機器人專家講座第4頁針對上述要求，對于醫(yī)療外科機器人手臂，能夠總結(jié)出設計普通要求是:1)易于實現(xiàn)高定位精度;2)運動直觀性強，易于醫(yī)生進行人機交互;3)在相同結(jié)構(gòu)尺寸下，工作空間盡可能大;4)在到達相同工作空間條件下，手臂本體占據(jù)空間小;骨科手術(shù)機器人專家講座第5頁為了到達空間一定范圍內(nèi)任意位置，機器人手臂最少要求有三個自由度。而且依據(jù)上述要求我們選擇串聯(lián)機構(gòu)。機器人經(jīng)典手臂結(jié)構(gòu)及性能Typicalarmstructureandcapability骨科手術(shù)機器人專家講座第6頁依據(jù)計算、試驗及實踐可得，其中圓柱坐標、SCARA型、直角坐標被認為是很好結(jié)構(gòu)形式，當前大多數(shù)醫(yī)療外科機器人采取這三種結(jié)構(gòu)。如瑞士一個用于神經(jīng)外科立體定向手術(shù)機器人屬于直角坐標結(jié)構(gòu)；美國Zeus和Aesop機器人手術(shù)系統(tǒng)應用SCARA型；而ROBODOC輔助手術(shù)系統(tǒng)就屬于圓柱坐標結(jié)構(gòu)。骨科手術(shù)機器人專家講座第7頁手腕

當被操作物體或工含有姿態(tài)要求時，就需要在機器人手臂末端聯(lián)接實現(xiàn)姿態(tài)要求手腕。為便于控制，減小姿態(tài)參數(shù)之間干擾，依據(jù)所需要實現(xiàn)操作來確定手腕關(guān)節(jié)構(gòu)型是非常主要。依據(jù)并聯(lián)機構(gòu)含有剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，運動慣性小，精度高等特點，能夠采取并聯(lián)機構(gòu)作手腕關(guān)節(jié)。二自由度手腕——串聯(lián)機構(gòu)三自由度——并聯(lián)機構(gòu)骨科手術(shù)機器人專家講座第8頁并聯(lián)機構(gòu)

1965年，德國Stewart創(chuàng)造了六自由度并聯(lián)機構(gòu)，并作為飛行模擬器用于訓練飛行員。1978年澳大利亞著名機構(gòu)學教授Hunt提出將并聯(lián)機構(gòu)用于機器人手臂。1994年在芝加哥國際機床博覽會上首次展出了稱為“六足蟲”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)數(shù)控機床與加工中心并引發(fā)了轟動。骨科手術(shù)機器人專家講座第9頁串聯(lián)機構(gòu)與并聯(lián)機構(gòu)對比基本特征串聯(lián)機構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)設計思想沿笛卡爾坐標系XYZ軸布置構(gòu)件，串聯(lián)連接，切削等負載不分攤負擔不沿任何坐標布置構(gòu)件，并聯(lián)連接，切削等負載大致均勻分攤剛度低（彈性變形累積、構(gòu)件除承受拉壓力外還受彎矩、扭矩）高（剛度累積，構(gòu)件之手拉壓力）移動部件質(zhì)量大（通常工件和工作臺移動）?。ㄍǔ９ぜ凸ぷ髋_不移動）動力學特征差，伴隨尺寸增加愈加惡化好，甚至在尺寸增加時人能保持運動耦合只有少許耦合緊密耦合且非線性誤差傳輸誤差累積而放大誤差平均二變小精度檢定與校正相對簡單，已經(jīng)有不少結(jié)果可借鑒復雜，研究結(jié)果極少坐標變換運算普通不需要需要骨科手術(shù)機器人專家講座第10頁骨科手術(shù)機器人20世紀80年代，機器人等自動化設備已經(jīng)在工業(yè)領域取得了廣泛應用，在操作靈活性、穩(wěn)定性及準確性方面顯示出了顯著優(yōu)勢。為了處理外科手術(shù)中存在精度不足，輻射過多、切口較大、操作疲勞等問題，人們開始探討怎樣在外科手術(shù)中引入機器人技術(shù)，改進手術(shù)效果。骨科手術(shù)機器人專家講座第11頁1985年，美國采取Puma560工業(yè)機器人完成了腦組織活檢中探針導向定位。1989年，英國利用改進6自由度Puma機器人，開展了前列腺切除手術(shù)，大大縮短了手術(shù)操作時間。1996年德國KuhnC研究了用于微損傷外科基于虛擬現(xiàn)實手術(shù)訓練系統(tǒng)。1992年英國DaviesBL研究了基于PUMA262腦外科機器人系統(tǒng)；1997年德國LuethTC研究了基于并聯(lián)機器人機構(gòu)用于頭部外科手術(shù)機器人手術(shù)系統(tǒng)；美國計算機輔助整形外科手術(shù)研究所、西賓西法尼亞醫(yī)院和卡內(nèi)基·梅隆大學機器人研究所研制了用于關(guān)節(jié)整形手術(shù)微型六自由度并聯(lián)機器人。骨科手術(shù)機器人專家講座第12頁哈工大輔助正骨機器人系統(tǒng)北航機器人牽引裝置

國內(nèi)也開展了醫(yī)療機器人方面研究工作。哈爾濱工業(yè)大學成功研制了基于遙操作技術(shù)輔助正骨機器人系統(tǒng)。北京航空航天大學研制出了國內(nèi)首臺用于醫(yī)療接骨機器人樣機。骨科手術(shù)機器人專家講座第13頁計算機輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)均含有以下優(yōu)勢優(yōu)勢：（1）定位更精準（2）縮短X光照射時間，保護醫(yī)護人員和病人（3）把握部位更穩(wěn)（4）改進手術(shù)方式，醫(yī)生們配合更默契（5）處理臨床教學和手術(shù)培訓問題骨科手術(shù)機器人按醫(yī)生與機器人之間關(guān)系能夠分三類：主動型、半主動型和被動型。骨科手術(shù)機器人專家講座第14頁主動型系統(tǒng)主動型CAOS，即使用機器人自主完成手術(shù)過程。世界上第一臺臨床應用主動型CAOS是1992年美國IntegratedSurgicalSystem企業(yè)推出了ROBODOC機器人系統(tǒng)。ROBODOC是在傳統(tǒng)工業(yè)機器人基礎上開發(fā)而成，能夠完成全髖關(guān)節(jié)置換，骸骨替換，髓骨置換及修復和膝關(guān)節(jié)置換等手術(shù)。骨科手術(shù)機器人專家講座第15頁該企業(yè)還開發(fā)了ORTHODOC圖像處理系統(tǒng)，依據(jù)CT圖片進行3D建模和手術(shù)規(guī)劃，為手術(shù)提供全部需要數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生完成手術(shù)仿真和監(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進行校準，同時在手術(shù)過程中機器人和病體經(jīng)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)后反應良好。骨科手術(shù)機器人專家講座第16頁Robodoc手術(shù)系統(tǒng)德國CASPAR手術(shù)系統(tǒng)骨科手術(shù)機器人專家講座第17頁Mars手術(shù)系統(tǒng)半主動型系統(tǒng)半主動型CAOS中機器人動作過程由醫(yī)生參加控制，而醫(yī)生動作又會被機器人系統(tǒng)依據(jù)規(guī)劃路徑加以限制。英國ACROBOT系統(tǒng)骨科手術(shù)機器人專家講座第18頁被動型系統(tǒng)被動型CAOS系統(tǒng)本身并不進行手術(shù)操作，醫(yī)生含有完全主動控制權(quán)。被動系統(tǒng)作用是在手術(shù)中為醫(yī)生提供所需導航信息或提供手術(shù)工具，因為其賦予了醫(yī)生很大自主權(quán)，所以從安全性和實用性來講是當前被接收程度最高一類CAOS系統(tǒng)。骨科手術(shù)機器人專家講座第19頁crigos系統(tǒng)美國顯微外科手術(shù)系統(tǒng)骨科手術(shù)機器人專家講座第20頁當前，C型臂在我們大中小型醫(yī)院最為普及，而且一旦出現(xiàn)術(shù)中其它特殊情況，仍可采取暫時拍攝X光圖片加以賠償。

C型臂圖像導航系統(tǒng)骨科手術(shù)機器人專家講座第21頁北航髓內(nèi)釘鎖孔導航系統(tǒng)關(guān)節(jié)整形手術(shù)系統(tǒng)而按手術(shù)對象分，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。骨科手術(shù)機器人專家講座第22頁HipNav全膝關(guān)節(jié)置換系統(tǒng)美國NASA腦外科手術(shù)系統(tǒng)骨科手術(shù)機器人專家講座第23頁美國脊柱手術(shù)系統(tǒng)及其測試環(huán)境骨科手術(shù)機器人專家講座第24頁遠程手術(shù)手術(shù)機器人是經(jīng)過將術(shù)者手術(shù)操作轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息,傳遞給機器人操作臂,控制操作臂來完成手術(shù)。年9月,在美國紐約外科醫(yī)師經(jīng)過觀看電視屏幕操縱機械手,遠距離(7000km外、橫跨大西洋，平均延時115ms)遙控位于法國斯特拉斯堡醫(yī)院手術(shù)室里宙斯機器人,為一位68歲患者成功進行了腹腔鏡膽囊切除術(shù),整個手術(shù)僅耗時54min,術(shù)后無并發(fā)癥發(fā)生。骨科手術(shù)機器人專家講座第25頁遠程膽囊摘除術(shù)這次命名為“林德伯格手術(shù)”成功,意味著不需移動任何人位置,世界上任何一個角落患者欲得到世界上任何一位頂尖教授親自操作手術(shù)治療夢想將成為可能。這是遠程手術(shù)一個里程碑,標志外科手術(shù)跨時代飛躍。骨科手術(shù)機器人專家講座第26頁CAOS系統(tǒng)CAOS組成1.計算機輔助骨科手術(shù)主處理系統(tǒng)。2.成像設備系統(tǒng)：用來提供人體組織器官解剖結(jié)構(gòu)信息和功效信息。3.立體定位系統(tǒng)：用來對人體組織器官、機器人和手術(shù)器械進行定位。4.手術(shù)機器人：用來進行術(shù)中立體定位和手術(shù)干預。骨科手術(shù)機器人專家講座第27頁對于CAOS系統(tǒng)主要組成部分——手術(shù)機器人，我們有以下要求：1.選擇適當機構(gòu)構(gòu)型：串聯(lián)機構(gòu)因為運動范圍大、動作靈巧，適合于胸腔手術(shù)、腹腔手術(shù)等場所應用，用于操持內(nèi)窺鏡或下場手術(shù)器械；并聯(lián)機構(gòu)因為結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、精度高、運動范圍小，適合于骨科等要求移動量較小、出力大場所。將串并兩結(jié)合，發(fā)揮二者優(yōu)點，是未來醫(yī)用機械發(fā)展趨勢；2.小型化，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝和維修；3.符合醫(yī)生習慣，設計前應充分了解手術(shù)過程，個機構(gòu)適合手術(shù)特點，便于操作；4.方便消毒，確保系統(tǒng)安全性；骨科手術(shù)機器人專家講座第28頁CAOS系統(tǒng)普通工作步驟1.術(shù)前規(guī)劃(1)獲取患者損傷部位相關(guān)醫(yī)學圖像；(2)圖像處理及骨骼三維建模；(3)建立假體三維模型；(4)將假體三維模型與骨骼三維模型進行配準；(5)位置調(diào)整與優(yōu)化；(6)確定手術(shù)方案。骨科手術(shù)機器人專家講座第29頁2.術(shù)中干預(1)把患者固定在手術(shù)臺上并定位；(2)將切割三維模型輸入機器人控制器；(3)確定機器人和患者基準點；(4)機器人或醫(yī)生執(zhí)行手術(shù)動作；(5)整個手術(shù)過程嚴格監(jiān)視患者移動。骨科手術(shù)機器人專家講座第30頁3.術(shù)后評價(1)把機器人移離患者，松開患者；(2)檢驗手術(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；(4)依據(jù)各次臨床反應來優(yōu)化機器人設計。骨科手術(shù)機器人專家講座第31頁CAOS系統(tǒng)存在缺點（1）觸覺反饋體系缺失（2）手術(shù)機器人器械臂固定以后,其操作范圍受限；（3）整套設備體積過于龐大,安裝、調(diào)試比較復雜；（4）系統(tǒng)技術(shù)復雜,在使用過程中可能發(fā)生各種機械故障；（5）手術(shù)前準備及手術(shù)中更換器械操作耗時較長；（6）安全性問題較為復雜，包括外科機器人體系結(jié)構(gòu)、機器人運動機械約束、多傳感器監(jiān)測等技術(shù),當前還未能夠形成一個普遍認可安全標準。骨科手術(shù)機器人專家講座第32頁同時，國內(nèi)外在機器人輔助骨科手術(shù)方面主要是利用機器人輔助醫(yī)生完成操持器械、導航等功效操作，利用機器人直接完成手術(shù)研究較少。

另首先，當前醫(yī)療機器人設計上主要是利用現(xiàn)有技術(shù)進行系統(tǒng)集成，而真正從醫(yī)用機器人本身角度出發(fā)去研究醫(yī)療機器人建模、分