醫(yī)療機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展

醫(yī)療機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展

醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展機(jī)器人技術(shù)是人類科學(xué)技術(shù)的重要產(chǎn)物之一，尤其是計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)。自從二十世紀(jì)中期的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生到現(xiàn)在,機(jī)器人技術(shù)早已不再局限于傳統(tǒng)的工業(yè)和制造業(yè)。同時(shí)由于電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、現(xiàn)代信息處理技術(shù)等技術(shù)的飛速發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域,由此而產(chǎn)生的醫(yī)療機(jī)器人,也已經(jīng)有近二十年的研究發(fā)展歷史了。目前,部分醫(yī)療機(jī)器人,特別是外科手術(shù)機(jī)器人,已經(jīng)開始從實(shí)驗(yàn)室研究階段走向臨床商業(yè)應(yīng)用階段。醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展不僅在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大的影響,為傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)帶來了極大的技術(shù)甚至是觀念上的變革,而且作為一種產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為世界經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn),因而受到了世界各國的重視。針對(duì)醫(yī)療機(jī)器人的研究也正處在不斷的進(jìn)步和發(fā)展之中。醫(yī)療機(jī)器人是多學(xué)科研究和發(fā)展的成果,它包括被應(yīng)用在以診斷、治療、康復(fù)、護(hù)理和功能輔助等諸多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的機(jī)器人。其中大部分對(duì)于醫(yī)療機(jī)器人的研究是對(duì)外科手術(shù)機(jī)器人和用于康復(fù)及護(hù)理的機(jī)器人的研究。下面介紹部分醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的現(xiàn)狀以及最新研究進(jìn)展和發(fā)展方向。1.外科手術(shù)機(jī)器人1.1外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢目前外科手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于神經(jīng)外科,矯形外科以及內(nèi)窺鏡手術(shù)中。手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)可以在手術(shù)前幫助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)的規(guī)劃和模擬操作,并且在手術(shù)中協(xié)助甚至代替外科醫(yī)生進(jìn)行相關(guān)的手術(shù)操作。在神經(jīng)外科和矯形外科手術(shù)中,外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)利用其導(dǎo)航系統(tǒng)分析和綜合由各種診斷設(shè)備,如CT,MRI,超聲等獲得的診斷和圖像信息來顯示手術(shù)前或手術(shù)中,病理組織和機(jī)器人操縱的手術(shù)器械之間的相對(duì)空間位置,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)的規(guī)劃和調(diào)整。導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于神經(jīng)外科,特別是腦部手術(shù)具有極其重要的意義。在手術(shù)執(zhí)行過程中,由于機(jī)器人操作的穩(wěn)定性和精確性,往往可以在同等情況下實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)的人工手術(shù)更好的手術(shù)效果。比如在關(guān)節(jié)置換手術(shù)中,使用外科機(jī)器人切割和打磨的人體骨斷面比手工切割的骨斷面與需要植入的人工關(guān)節(jié)的吻合程度要高很多。同樣,外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡手術(shù)中的許多問題,而且使微創(chuàng)手術(shù)進(jìn)入了一個(gè)全新的技術(shù)時(shí)代。傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡手術(shù)是將內(nèi)窺鏡和各種手術(shù)器械通過在病人身上的小切口伸入病人體內(nèi)進(jìn)行的手術(shù),但是手術(shù)中醫(yī)生容易疲勞,而且一般需要手術(shù)醫(yī)生和操作內(nèi)窺鏡的醫(yī)生同時(shí)操作。因此,在手術(shù)中保持內(nèi)窺鏡圖像的穩(wěn)定,清晰以及和手術(shù)醫(yī)生的意圖保持高度的一致都是傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡手術(shù)存在的問題。一般用于內(nèi)窺鏡手術(shù)的外科機(jī)器人系統(tǒng)都使用遙操作機(jī)器人系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)提供給醫(yī)生一個(gè)主從控制的操縱器(可能是手柄,鼠標(biāo),鍵盤,或者是聲音控制器),和一個(gè)較清晰的視覺顯示信息。使用這種主從操作方式可以使外科醫(yī)生獲得一種與以往傳統(tǒng)手術(shù)相似的操作環(huán)境,同時(shí)又有效地利用了機(jī)器人在外科手術(shù)中的穩(wěn)定精確的操作,可以減少外科醫(yī)生在手術(shù)中因?yàn)槠诋a(chǎn)生的誤操作和手部的震顫,提高手術(shù)的精度和質(zhì)量。另一方面,手術(shù)醫(yī)生可以通過踏板、手柄、頭帶或者聲音等方式直接控制內(nèi)窺鏡,這樣可以有效的縮短手術(shù)時(shí)間,減少手術(shù)人員。使用手術(shù)機(jī)器人甚至可以在心臟不停跳的情況下進(jìn)行心臟的動(dòng)脈搭橋手術(shù)。目前外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)已有較多成熟的產(chǎn)品,如ComputerMotion公司的ZEUS外科機(jī)器人系統(tǒng),IntuitiveSurgical公司的DaVinci外科機(jī)器人系統(tǒng)等。1.2手術(shù)機(jī)器人的應(yīng)用在已有的外科機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,目前正在不同的方面不斷地解決存在的問題,改進(jìn)外科機(jī)器人的性能,使其功能更強(qiáng),操作更簡單,安全性更好。(1)關(guān)于手術(shù)機(jī)器人操作控制方面的研究將觸覺信息整合到外科機(jī)器人中便是目前對(duì)于手術(shù)機(jī)器人的重要研究之一,并且已經(jīng)研制出一些實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。對(duì)于醫(yī)生而言,觸覺感知是其手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的重要組成部分,但是現(xiàn)有的外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中的導(dǎo)航系統(tǒng),或者內(nèi)窺鏡只會(huì)通過顯示設(shè)備反饋給醫(yī)生圖像方面的信息。所以在機(jī)器人手術(shù)中通過力反饋技術(shù)使醫(yī)生在使用機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)時(shí)獲得在傳統(tǒng)手術(shù)中具有的觸覺感,可以用來補(bǔ)償和改善目前機(jī)器人手術(shù)中外科醫(yī)生完全憑借視覺信息來進(jìn)行的判斷和操作。另外,觸覺信息還可以在手術(shù)模擬和導(dǎo)航中指導(dǎo)醫(yī)生在安全的區(qū)域中進(jìn)行手術(shù)。在現(xiàn)有的外科機(jī)器人的基礎(chǔ)上,通過對(duì)手術(shù)器械的位置和產(chǎn)生的力進(jìn)行更精確的檢測和控制,使機(jī)器人能夠進(jìn)行精確的微小運(yùn)動(dòng),從而自動(dòng)實(shí)施某些精細(xì)的手術(shù)操作。這樣有利于將手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用到更多的手術(shù)中去。比如通過對(duì)手術(shù)中的縫合過程的幾何和力學(xué)模型的建立和研究,HyosigKang等人利用手術(shù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了手術(shù)中的自動(dòng)縫合操作。通常的內(nèi)窺鏡手術(shù)操作被描述為一個(gè)4自由度問題,現(xiàn)有的外科手術(shù)機(jī)器人一般都滿足必要的運(yùn)動(dòng)自由度要求,但是在操作的便利性和手術(shù)的安全性上還存在不足。研究不同自由度的機(jī)器人以及在手術(shù)過程中機(jī)器人執(zhí)行端操作的運(yùn)動(dòng)模型,是提高手術(shù)操作的便利性和安全性的一個(gè)重要研究方向。比如Krupa等人通過一個(gè)具有6運(yùn)動(dòng)自由度的機(jī)器人,同時(shí)利用力傳感器和控制技術(shù),使得在手術(shù)中,即使病人有一定的相對(duì)移動(dòng)時(shí),手術(shù)機(jī)器臂施加于手術(shù)創(chuàng)口的力總為零,從而達(dá)到有效保護(hù)創(chuàng)口的目的,確保了手術(shù)的安全性。遠(yuǎn)程手術(shù)的研究也取得了很大的進(jìn)展。遠(yuǎn)程手術(shù)可以使那些在缺乏某類手術(shù)專家的地區(qū)的病人接受相應(yīng)的手術(shù)治療。對(duì)于戰(zhàn)地手術(shù),遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)診,遠(yuǎn)程醫(yī)療教學(xué)都具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值和意義。2001年一位在紐約的外科醫(yī)生為身在法國的病人進(jìn)行膽囊摘除手術(shù),手術(shù)的平均延時(shí)僅155ms,如圖1所示。(2)與手術(shù)機(jī)器人導(dǎo)航相關(guān)的研究內(nèi)窺鏡手術(shù)中對(duì)內(nèi)窺鏡或者手術(shù)器械的自動(dòng)跟蹤,也是手術(shù)機(jī)器人的重要研究課題之一。在內(nèi)窺鏡手術(shù)中,外科醫(yī)生通常先控制內(nèi)窺鏡找到手術(shù)區(qū)域,然后移動(dòng)手術(shù)器械至手術(shù)區(qū)域進(jìn)行手術(shù),但是此時(shí)通常手術(shù)器械并不在內(nèi)窺鏡的視野范圍內(nèi),此時(shí)醫(yī)生只能擴(kuò)大內(nèi)窺鏡的視覺區(qū)域,或者對(duì)手術(shù)機(jī)械進(jìn)行盲移,這樣往往會(huì)帶來潛在的危險(xiǎn),如手術(shù)器械之間的碰撞,或觸及病人的臟器。目前已有研究通過視覺伺服技術(shù),尋找和跟蹤內(nèi)窺鏡視野中的手術(shù)器械,或者自動(dòng)將手術(shù)器械移動(dòng)到內(nèi)窺鏡的視野中,比如A.Krupa等人通過激光和視覺標(biāo)記等手段,通過計(jì)算機(jī)圖像處理和機(jī)器人控制,自動(dòng)移動(dòng)手術(shù)器械,使其始終位于內(nèi)窺鏡視野的中央或者醫(yī)生指定的位置。對(duì)于關(guān)節(jié)置換手術(shù)中校準(zhǔn)算法的研究表明,應(yīng)用新的校準(zhǔn)算法可以省去手術(shù)前在腿骨上安置定標(biāo)裝置或者進(jìn)行CT掃描等復(fù)雜過程,同時(shí)達(dá)到與現(xiàn)有的矯形手術(shù)機(jī)器人相當(dāng)?shù)牟僮骶?。還有研究表明在腦部手術(shù)中,在進(jìn)行CT掃描和圖像三維重建后,由醫(yī)生確定出病理部分和關(guān)鍵性的神經(jīng),血管以及重要的大腦組織,可以通過映射算法自動(dòng)產(chǎn)生手術(shù)路徑,并且可以直接由機(jī)器人執(zhí)行手術(shù)。另外,圖像導(dǎo)航系統(tǒng)還被擴(kuò)展應(yīng)用到對(duì)于各種腫瘤的準(zhǔn)確放射治療中。2.會(huì)飲機(jī)器人的使用,幫助患者處理一般生活和環(huán)康復(fù)護(hù)理機(jī)器人是為了幫助病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,或以機(jī)器人輔助病人的某些生理功能,照顧老人或殘疾人的日常生活,幫助處理醫(yī)院里的一些日常事務(wù)而設(shè)計(jì)的一類機(jī)器人。2.1輔助功能機(jī)器人用于幫助病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人種類較多,包括幫助中風(fēng)患者、腦或脊椎外傷病人恢復(fù)行走能力的腿部訓(xùn)練和上肢訓(xùn)練的機(jī)器人,幫助咀嚼肌出現(xiàn)紊亂的病人恢復(fù)口部的正常開閉活動(dòng)能力的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人等。在傳統(tǒng)的腿部康復(fù)訓(xùn)練中,對(duì)于幫助病人訓(xùn)練的康復(fù)醫(yī)生的體力要求較高,因而訓(xùn)練時(shí)間和步法的精確性都受到很大的影響。使用康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人幫助病人的腿部按照預(yù)先設(shè)置好的移動(dòng)軌跡移動(dòng)則能收到更好的康復(fù)訓(xùn)練效果。輔助功能機(jī)器人可以幫助體力較弱的人或殘疾人實(shí)現(xiàn)某些生理功能。各種人工假肢和運(yùn)動(dòng)輔助機(jī)器人,如肩部關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)輔助機(jī)器人可以幫助老年人正常的用意識(shí)控制手足的活動(dòng)而又具有足夠的力量完成各種任務(wù)。這些輔助機(jī)器人通常通過采集人體的肌電信號(hào)或者其他生理信號(hào)來判斷使用者的意圖,然后通過控制機(jī)器人輔助人體實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的生理功能。對(duì)于日益老齡化的社會(huì)而言,用機(jī)器人幫助老年人正常獨(dú)立的生活是一個(gè)很好的解決辦法,同時(shí)護(hù)理機(jī)器人還可以在醫(yī)院中協(xié)助護(hù)士完成繁雜的護(hù)理工作。目前,商業(yè)上最成功的護(hù)理機(jī)器人是Keele大學(xué)的Handy系統(tǒng)。它最早被設(shè)計(jì)成一種幫助進(jìn)食的設(shè)備,現(xiàn)在它已經(jīng)能夠幫助病人完成基本的個(gè)人衛(wèi)生工作,比如刷牙、洗臉、簡單的修飾。另一種非常成功的護(hù)理機(jī)器人是MANUS輪椅機(jī)器人。它裝有8個(gè)自由度的操縱桿。在肩關(guān)節(jié)處它能垂直移動(dòng)250mm,這樣就能將物體從地面撿起來。但是受到技術(shù)、功能、心理、和社會(huì)經(jīng)濟(jì)諸多因素的影響,目前可商用化的護(hù)理機(jī)器人比較少。2.2康復(fù)機(jī)器人的研究(1)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人方面的研究現(xiàn)有的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人使用的步態(tài)參數(shù)和訓(xùn)練步法比較有限,通常只能模擬平地時(shí)的步法練習(xí)。通過力傳感器和一些適應(yīng)性的算法,康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可以根據(jù)不同病人的行走能力調(diào)整訓(xùn)練時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡,而且通過對(duì)于不同步法和步態(tài)參數(shù)的研究,實(shí)現(xiàn)平地,上下樓梯,地面不平等多種情況下的步法練習(xí),對(duì)于提高病人的康復(fù)效果有很大的幫助。另有研究表明,通過改進(jìn)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人與病人相互作用的控制算法,使病人自主的控制訓(xùn)練時(shí)行走的方式,可以提高病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的積極性和主動(dòng)性。在康復(fù)訓(xùn)練過程中,控制康復(fù)機(jī)器人在幫助病人訓(xùn)練時(shí)產(chǎn)生平滑的運(yùn)動(dòng)軌跡,可以提高訓(xùn)練效果和訓(xùn)練安全性。(2)功能輔助機(jī)器人方面的研究在對(duì)輔助肩部運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的研究中發(fā)現(xiàn),在手臂位置不同時(shí),因?yàn)榧绮康募∪庾兓?即使主體希望進(jìn)行相同的肩部運(yùn)動(dòng),在肩部采集到的肌電信號(hào)也會(huì)有很大的不同?？梢允褂蒙窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)由于手臂位置不同引起的肌電信號(hào)的變化進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)驗(yàn)證明了這樣的補(bǔ)償是有效的。(3)護(hù)理機(jī)器人方面的研究對(duì)護(hù)理機(jī)器人的研究現(xiàn)在多集中在研究可移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。比如WALKY,MOVAID等機(jī)器人系統(tǒng)和文獻(xiàn)中研究的ARPH機(jī)器人系統(tǒng)。ARPH機(jī)器人可以在家庭室內(nèi)使用,它可以利用超聲技術(shù)避開室內(nèi)的障礙,并且具有良好的人機(jī)交互接口。3.基于教育技術(shù)的機(jī)器人的安全性設(shè)計(jì)除了手術(shù)機(jī)器人和康復(fù)護(hù)理機(jī)器人外,還有一些其他方面醫(yī)療機(jī)器人的研究。(1)超聲診斷機(jī)器人醫(yī)療超聲檢測經(jīng)常需要醫(yī)生在一個(gè)難以實(shí)施的位置上,持續(xù)握住超聲探頭一段時(shí)間,而且有時(shí)候還需要施加比較大的力,這樣得到的超聲圖像常常會(huì)受到醫(yī)生肌肉緊張的影響。而利用機(jī)器人輔助的圖像引導(dǎo)控制診斷系統(tǒng)則可以消除這種影響。圖2是研制一個(gè)機(jī)器人超聲診斷系統(tǒng)的框圖:該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲得并在GUI上顯示超聲圖像,通過對(duì)超聲圖像的三維重建,可以顯示出一個(gè)精確的檢查結(jié)果。在圖形用戶接口中,三個(gè)方向軸上的超聲圖像伺服系統(tǒng)被結(jié)合在一起以控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。通過GUI醫(yī)生能夠方便的用鼠標(biāo)來選中他所感興趣的特征部分,并使用不同的方法進(jìn)一步的識(shí)別和追蹤。(2)醫(yī)療機(jī)器人安全性方面的研究醫(yī)療機(jī)器人是直接與人接觸的機(jī)器人系統(tǒng),所以,對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)而言,安全性是至關(guān)重要的,是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須首要考慮的因素。傳統(tǒng)的應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人上的安全策略,對(duì)于醫(yī)療機(jī)器人而言往往是不夠的,所以有必要建立有效的方法,使醫(yī)療機(jī)器人具有更高的安全性。如在Armstrong系統(tǒng)中提出的控制器軟件必須具有安全性、可靠性、可維護(hù)性以及可重復(fù)使用性等要求。在以往的一些安全標(biāo)準(zhǔn),如IEC601-1中關(guān)于醫(yī)療電器設(shè)備的安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,有研究提出一個(gè)旨在提高醫(yī)療機(jī)器人安全隱患識(shí)別和安全保險(xiǎn)控制(HISIC)的系統(tǒng)策略,HISIC的七個(gè)原則包括定義和需求、隱患識(shí)別、安全保險(xiǎn)控制、安全臨界極限、監(jiān)視和控制、有效性評(píng)價(jià)和確認(rèn)、系統(tǒng)日志和文檔。(3)微機(jī)器人研究對(duì)于微機(jī)器人的研究最典型的應(yīng)用是對(duì)機(jī)器人內(nèi)窺鏡的研究。比如使用微機(jī)器人自動(dòng)結(jié)腸鏡可以使檢查時(shí)結(jié)腸鏡與病人的腸壁接觸面積最小,從而減輕病人的疼痛。在這樣的系統(tǒng)中,通常需要使用柔性的制動(dòng)設(shè)計(jì),比如使用空氣制動(dòng)的蠕動(dòng)式推進(jìn)機(jī)構(gòu),以及基于形狀記憶合金(SMA)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。配合GUI,使用所拍攝到的圖像,醫(yī)生可以很容易的觀察病患部位,以便控制結(jié)腸鏡的進(jìn)程。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展,微型醫(yī)療機(jī)器人將會(huì)有更多的應(yīng)用領(lǐng)域