骨科手術(shù)機器人匯編課件

骨科手術(shù)機器人骨科手術(shù)機器人先進機器人技術(shù)在醫(yī)療外科手術(shù)規(guī)劃模擬、微損傷精確定位操作、無損傷診斷與檢測、新型手術(shù)醫(yī)學治療方法等方面得到了廣泛的應用，這不僅促進了傳統(tǒng)醫(yī)學的革命，也帶動了新技術(shù)、新理論的發(fā)展。先進機器人技術(shù)在醫(yī)療外科手術(shù)規(guī)劃模擬、微損傷精確定位手術(shù)機器人構(gòu)型計算機輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：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)中的作用是：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，使其穿過切點到達手術(shù)部位。手術(shù)機器人構(gòu)型計算機輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：針對上述要求，對于醫(yī)療外科機器人手臂，可以總結(jié)出設計的一般要求是:1)易于實現(xiàn)高的定位精度;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，工作空間盡量大;4)在達到相同工作空間的條件下，手臂本體占據(jù)空間小;針對上述要求，對于醫(yī)療外科機器人手臂，可以總結(jié)出設計的一般要為了達到空間一定范圍內(nèi)的任意位置，機器人手臂至少要求有三個自由度。并且根據(jù)上述要求我們選擇串聯(lián)機構(gòu)。機器人典型手臂結(jié)構(gòu)及性能Typicalarmstructureandcapability為了達到空間一定范圍內(nèi)的任意位置，機器人手臂至少要求根據(jù)計算、實驗及實踐可得，其中的圓柱坐標、SCARA型、直角坐標被認為是較好的結(jié)構(gòu)形式，目前大多數(shù)醫(yī)療外科機器人采用這三種結(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)。根據(jù)計算、實驗及實踐可得，其中的圓柱坐標、SCARA手腕

當被操作物體或工具有姿態(tài)要求時，就需要在機器人手臂末端聯(lián)接實現(xiàn)姿態(tài)要求的手腕。為便于控制，減小姿態(tài)參數(shù)之間的干擾，根據(jù)所需要實現(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)機構(gòu)具有剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，運動慣性小，精度高等特點，可以采用并聯(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)手腕二自由度手腕——串聯(lián)機構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)

1965年，德國Stewart發(fā)明了六自由度并聯(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)的數(shù)控機床與加工中心并引起了轟動。并聯(lián)機構(gòu)串聯(lián)機構(gòu)與并聯(lián)機構(gòu)的對比基本特征串聯(lián)機構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)設計思想沿笛卡爾坐標系的XYZ軸布置構(gòu)件，串聯(lián)連接，切削等負載不分攤承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）動力學特性差，隨著尺寸增加更加惡化好，甚至在尺寸增加時人能保持運動耦合只有少量耦合緊密耦合且非線性誤差傳播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，已有不少成果可借鑒復雜，研究成果極少坐標變換運算一般不需要需要串聯(lián)機構(gòu)與并聯(lián)機構(gòu)的對比基本特征串聯(lián)機構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)設計思想沿笛骨科手術(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(lǐng)域獲得了廣泛應用，在操作靈活性、穩(wěn)定性及準確性方面顯示出了明顯優(yōu)勢。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)中引入機器人技術(shù)，改善手術(shù)效果。骨科手術(shù)機器人20世紀80年代，機器人等自動化設備已1985年，美國采用Puma560工業(yè)機器人完成了腦組織活檢中探針的導向定位。1989年，英國的利用改進的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的基于虛擬現(xiàn)實的手術(shù)訓練系統(tǒng)。1992年英國的DaviesBL研究了基于PUMA262的腦外科機器人系統(tǒng)；1997年德國的LuethTC研究了基于并聯(lián)機器人機構(gòu)的用于頭部外科手術(shù)的機器人手術(shù)系統(tǒng)；2005美國的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)的微型六自由度并聯(lián)機器人。1985年，美國采用Puma560工業(yè)機器人完成了腦組織活檢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)療機器人方面的研究工作。哈爾濱工業(yè)大學成功研制了基于遙操作技術(shù)的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)療接骨的機器人樣機。哈工大輔助正骨機器人系統(tǒng)計算機輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)均具有以下的優(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）解決臨床教學和手術(shù)培訓問題骨科手術(shù)機器人按醫(yī)生與機器人之間的關(guān)系可以分三類：主動型、半主動型和被動型。計算機輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)均具有以下的優(yōu)勢優(yōu)勢：（1）定主動型系統(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的主動型CAOS是1992年美國IntegratedSurgicalSystem公司推出了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)而成的，可以完成全髖關(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)。主動型系統(tǒng)該公司還開發(fā)了ORTHODOC圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)CT圖片進行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)后反應良好。該公司還開發(fā)了ORTHODOC圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)CTRobodoc手術(shù)系統(tǒng)德國CASPAR手術(shù)系統(tǒng)Robodoc手術(shù)系統(tǒng)德國CASPAR手術(shù)系統(tǒng)Mars手術(shù)系統(tǒng)半主動型系統(tǒng)半主動型CAOS中機器人的動作過程由醫(yī)生參與控制，而醫(yī)生的動作又會被機器人系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃的路徑加以限制。英國ACROBOT系統(tǒng)Mars手術(shù)系統(tǒng)半主動型系統(tǒng)英國ACROBOT系統(tǒng)被動型系統(tǒng)被動型CAOS系統(tǒng)自身并不進行手術(shù)操作，醫(yī)生具有完全的主動控制權(quán)。被動系統(tǒng)的作用是在手術(shù)中為醫(yī)生提供所需的導航信息或提供手術(shù)工具，由于其賦予了醫(yī)生很大的自主權(quán)，因此從安全性和實用性來講是目前被接受程度最高的一類CAOS系統(tǒng)。被動型系統(tǒng)crigos系統(tǒng)美國顯微外科手術(shù)系統(tǒng)crigos系統(tǒng)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，仍可采用臨時拍攝X光圖片加以補償。

C型臂圖像導航系統(tǒng)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)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。北航髓內(nèi)釘鎖孔導航系統(tǒng)HipNav全膝關(guān)節(jié)置換系統(tǒng)美國NASA腦外科手術(shù)系統(tǒng)HipNav全膝關(guān)節(jié)置換系統(tǒng)美國NASA腦外科手術(shù)系統(tǒng)美國脊柱手術(shù)系統(tǒng)及其測試環(huán)境美國脊柱手術(shù)系統(tǒng)及其測試環(huán)境遠程手術(shù)手術(shù)機器人是通過將術(shù)者的手術(shù)操作轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息,傳遞給機器人的操作臂,控制操作臂來完成手術(shù)。2001年9月,在美國紐約的外科醫(yī)師通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)室里的宙斯機器人,為一位68歲的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。遠程手術(shù)遠程膽囊摘除術(shù)這次命名為“林德伯格手術(shù)”的成功,意味著不需移動任何人的位置,世界上任何一個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)治療的夢想將成為可能。這是遠程手術(shù)的一個里程碑,標志外科手術(shù)跨時代的飛躍。遠程膽囊摘除術(shù)這次命名為“林德伯格手術(shù)”的成功,意味CAOS系統(tǒng)CAOS的組成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。CAOS系統(tǒng)CAOS的組成對于CAOS系統(tǒng)的主要組成部分——手術(shù)機器人，我們有以下要求：1.選擇合適的機構(gòu)構(gòu)型：串聯(lián)機構(gòu)由于運動范圍大、動作靈巧，適合于胸腔手術(shù)、腹腔手術(shù)等場合應用，用于操持內(nèi)窺鏡或下場的手術(shù)器械；并聯(lián)機構(gòu)由于結(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、出力大的場合。將串并兩結(jié)合，發(fā)揮二者的優(yōu)點，是未來醫(yī)用機械的發(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)的特點，便于操作；4.方便消毒，保證系統(tǒng)的安全性；對于CAOS系統(tǒng)的主要組成部分——手術(shù)機器人，我們有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行配準；(5)位置調(diào)整與優(yōu)化；(6)確定手術(shù)方案。CAOS系統(tǒng)的一般工作步驟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)確定機器人和患者的基準點；(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)視患者的移動。2.術(shù)中干預3.術(shù)后評價(1)把機器人移離患者，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；(4)根據(jù)各次臨床反應來優(yōu)化機器人設計。3.術(shù)后評價CAOS系統(tǒng)存在的缺陷（1）觸覺反饋體系的缺失（2）手術(shù)機器人的器械臂固定以后,其操作范圍受限；（3）整套設備的體積過于龐大,安裝、調(diào)試比較復雜；（4）系統(tǒng)的技術(shù)復雜,在使用過程中可能發(fā)生各種機械故障；（5）手術(shù)前的準備及手術(shù)中更換器械操作耗時較長；（6）安全性問題較為復雜，涉及外科機器人的體系結(jié)構(gòu)、機器人運動的機械約束、多傳感器監(jiān)測等技術(shù),目前還未能夠形成一個普遍承認的安全標準。CAOS系統(tǒng)存在的缺陷同時，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、導航等功能操作，利用機器人直接完成手術(shù)的研究較少。

另一方面，目前醫(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)用機器人自身角度出發(fā)去研究醫(yī)療機器人建模、分析、優(yōu)化等設計理論的較少。由于利用的是通用的機器人技術(shù)，必然導致機器人在與醫(yī)學結(jié)合上不夠嚴密，在體積、構(gòu)型、材料、消毒、透X射線等方面存在一系列的問題，這也是醫(yī)療機器人設計中所面臨的新問題。