医疗机器人的应用与发展

医疗机器人的应用与发展12机制2班黄谞2012509071【摘要】医用机器人，是指用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人。是一种智能型服务机器人，它能独自编制操作计划，依据实际情况确定动作程序，然后把动作变为操作机构的运动。重点介绍了手术机器人、康复医疗机器人、医院服务机器人、医用教学机器人等。【关键词】手术机器人；康复医疗机器人；医院服务机器人；医用教学机器人；医用机器人是机器人技术、计算机网络控制技术、数字图像处理技术、虚拟现实技术和医疗外科技术的结合，用于实现机器人辅助外科手术、康复医疗和医院服务等功能。医用机器人是目前国内外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一，其发展前景非常看好，美、法、德、意、日等国家学术界对此给予了极大关注，研究工作蓬勃发展[1]。从二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划(IARP)已召开过多届医用机器人研讨会，美国国防部高等研究计划局(DARPA)立项开展基于遥控操作机器人的研究，用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一。中国人口众多，随着人们生活水平的提高和人口老龄化进程的加剧，我国正在成为高新技术医疗器械生产和使用大国，然而由于中国相关科技研究落后，医用机器人大量依赖进口，从而造成医疗费用增长，加重了病人负担。目前，医用机器人的研制主要集中在微创外科手术、康复和服务机器人系统等几个方面，本文详细介绍了国内外有关医用机器人的关键技术及其研究现状，并探讨了今后的发展方向。1、手术机器人近年来，各种医用机器人的概念和模型被提出和研发；而在众多的医用机器人研究中，手术机器人得到了相关研发人员的重视。手术机器人最早源于美军机器人手术和远程外科计划。1994年，由美国国防部下属的国防高级研究计划局（DARPA）研制成原型机。商业化的手术机器人则最早出现在1994年，由美国ComputerMotion公司研制，命名为AESOP；该机器人实质上是一种声控腹腔镜的自动“腹镜手”。1997年3月，比利时布鲁塞尔StPierre医院利用AESOP系统成功完成第一例腹腔镜手术——胆囊切除术。1998年，ComputerMotion公司研制的Zeus系统，IntuitiveSurgical公司研制的DaVinci系统，和EndoVia公司研制的Laprotek系统分别获得了成功；其中DaVinci系统在国际上影响最大。这三系统均由三大部分组成：医生操纵台，机械手和内镜装置。Zeus系统采用纯信号方式实现医生操纵台对机器臂的控制，在传输距离上不受视频延迟的影响；2001年9月首次实现跨大西洋（美国纽约-法国斯特拉斯堡）的机器人腹腔镜胆囊切除术。最近，美军正在研究远程微创外科手术机器人，采用DaVinci系统在美国华尔特里德陆军医学中心和约翰霍普金斯医院之间（相距64km）开展远程手术。在国内，海军总医院和北航机器人研究所共同开发出智能化远程外科手术系统，被称为“遥操作远程医用机器人”。2002年，首次成功使用该机器人为一脑肿瘤患者做了立体定向活检手术。专家先通过电脑网络接收病人信息，分析病人CT影像，进行手术规划，然后遥控操作手术室内的机器人开始手术；机器人根据专家指令，自动搜索手术部位，并迅速锁定立体定向穿刺路径；20分钟后，成功地取出病变组织。2006年3月，我国首例通过互联网异地操控机器人的骨科手术在陕西延安获得成功；该手术为胫骨髓内钉手术，由1300公里外的北京专家通过互联网远程遥控机器人实施。微型机电技术的不断深入发展为微小型机器人甚至纳米机器人提供了技术支持，它可以直接进入人体器官内部进行工作，完成组织取样、血管疏通、药物定点放置、微型手术和细胞操作等普通医疗技术和手段无法完成的工作。目前，国内外正在研制和开发体内自主行走式诊断治疗、体内微细手术和体内药物直接投放微型外科手术机器人。目前医疗外科机器人系统的研究主要集中在几个方面：（1）机器人机构研究：研究新的机器人本体，以拓宽机器人辅助外科的应用范围。（2）机器人运动控制和路径规划研究：使机器人的运动精度更高，当运动路径的选取更加科学时，系统整体的安全性就更好。（3）虚拟现实技术和通讯技术在医疗外科机器人系统中的应用研究：使虚拟临场手术系统更加实用化。（4）临床应用研究：任一医疗外科机器人系统，在完成系统设计和实验室试验后均需要进行临床应用研究，以确定系统对临床应用环境的适应性。（5）系统集成研究：在完成系统各组成部分的研制后，通过系统集成研究将各部分有机组织起来，使最终系统的性能获得最佳。（6）操作界面研究：以进一步提高医疗外科机器人系统的可操作性。为了医生和医疗机器人系统自如的交互，系统应尽可能为医生提供直观的交互平台。（7）仿射变换研究：建立病人的某种图像信息与人体标准图谱的关系，以较低的成本和较高的速度获得用于规划、导航和仿真系统的病人三维立体模型。应用外科辅助医疗机器人进行手术，可以极大的提高手术的准确性和可靠性，它的出现将对现代医学工程的发展产生深远的影响，在医疗手术领域具有广泛的应用前景。外科辅助医疗机器人系统将在应用中不断得到完善，并将改变外科医生处理患者的方法。它不仅会对常规医疗带来一系列的技术变革，而且对临床护理及康复工程等的发展都将产生深远的影响。2、康复医疗机器人机器人用于康复领域包括助残和老人看护等方面，研究领域包括康复机械手、智能轮椅，以及家庭和单位之间的交互设备及智能控制界面。康复机械手的目的是通过机器人手臂完成残疾人的手臂功能。机械手必须具有足够的自由度以满足每个用户的需要，根据机器人技术的发展水平，一般具有以下三种结构。第一种是结构化控制台，类似于桌面工作台，将机械手安装在固定的控制平台上，完成在固定工作平台内的操作，如早期CEA公司开发的MASTER系统，美国TolfaCorporation开发的DEVAR系统，以及英国OxfordIntelligentMachines开发的RAID系统等。第二种结构是将机械手安装在轮椅上，这样可以在任何地域使用，如美国的MOVAR系统和意大利的URMAD系统。但这种结构导致机械手刚性下降，抓取的精度达不到要求。轮椅式下肢残疾是失去行走能力的老年人的主要交通工具。目前，各类传感器和高效的信息处理及控制技术在轮椅上的应用，使轮椅成为高度自动化的智能移动机器人。意大利的TGRS.R.L公司开发了一种结合轮椅与小车结构的智能轮椅，它不仅能在规则的地上行走，还可以上下楼梯。日本东京大学的S.Tachi教授开发了一个移动式康复机器人MELDOG作为“导盲犬”。欧洲ScuolaSuperioreS.Anna实验室在URMAD系统的基础上开发了MOVAID系统，该系统由若干个固定的位于室内主要工作区域（如厨房和卧室）的工作站和一个可以在室内自由避障的移动机器人组成，操作者可以通过工作站的实时图形界面监控和干预机器人的动作。目前该系统已经在意大利经过残疾人使用验证。由于康复医疗机器人的应用对象是残疾人和老年人，因此，必须要方便这些特殊用户对于机器人系统的操作。虽然包含了先进的传感器和动力系统，用户也有可能对外界信息无法做出反应。因此功能全面的控制界面、有效的控制策略，以及家庭和单位之间的交互设备也是康复机器人的研究重点。3、医院服务机器人医院服务机器人一般用于辅助护士完成食物、药品、医疗器械、杂志的传送和投递工作。如美国运输协会研制的“HelpMate”机器人，可以24小时在医院完成运送食物和药品的工作，与工厂使用的自动运输车不同的是，这种机器人不是沿着特定的轨道行走，而是基于传感器和运动规划算法实现自主行走，适用于结构化环境，系统也能处理传感器噪声、误差和定位错误，发现并避开障碍物。日本机械工程研究所开发的“MELKONG”护理机器人，专门用来照顾那些行动不便的病人。该机器人可以轻松而平稳地将病人从床上托起，并将病人送往卫生间、浴室或餐厅。平时该机器人由护士操纵，但在夜间，病人也可以通过操纵手柄进行控制。一些关键技术，如停靠、行走、抓取、人机界面等都已经解决。4、医用教学机器人医用教学机器人是理想的教具。美国医护人员目前使用一部名为“诺埃尔”的教学机器人，它可以模拟即将生产的孕妇，甚至还可以说话和尖叫。通过模拟真实接生，有助于提高妇产科医护人员手术配合和临场反应。5、结束语医用机器人的应用极大的推动了现代医疗技术的发展，是现代医疗卫生装备的发展方向之一。手术机器人具有高准确性、高可靠性和高精确性，提高了手术的成功率；康复机器人具有智能化，可为伤员、病人与老年人提供康复护理和服务。随着科学技术的不断更新、社会的老龄化以及医疗技术的发展，各医疗机器人及其辅助医疗技术将得到更深入而广泛的研究和应用，各种新型的医用机器人机构、新型手术工具、医学图像采集和处理技术、远程系统传输技术、智能传感器、智能轮椅及其它相关技术仍是研究热点。参考文献[1]杜志江,孙立宁,富历新.外科手术机器人技术发展现状及关键技术分析[J].哈尔滨工业大学学报,2003,07:773-777.[2]丑武胜,王田苗.医用机器人与数字化医疗仪器设备的研究和发展[J].机器人技术与应用,2003,04:7-11.[3]钱文文,郑建,何涛.医用机器人在微创手术领域的发展概况[J].医疗装备,2014,06:1-5.[4]唐雷,李长树,陈瑞新,李鉴轶.走进医学领域的机器人[J].科学,2014,04:27-30+4.[5]王振,谢叻,YUWen-wei,蒋峻,周朝政.体内微型医用机器人[J].上海交通大学学报,2013,12:1881-1887.[6]王田苗,张大朋,刘达.医用机器人的发展方向[J].中国医疗器械杂志,2008,04:235-238.[7]王振.体内微型医用机器人的研制[D].上海交通大学,2014.[8]张红霞.医用机器人的研究与发展[J].电子世界,2013,04:72-73.[9]王军强,孙磊,王满宜.计算机辅助骨科手术的应用和进展[J].中华创伤骨科杂志,2004,01:110-114.[10]刘涛.医用机器人正改变人类生活:可实现转基因注射[J].生物技术世界,2012,03:6+8.[11].令人称奇的医用机器人[J].科学生活,2010,03:54-55.[12]本报记者孙蔚李佳楣.走近医用机器人[N].中国消费者报,2000-11-26004.[13]林良明,丁洪,卢钢,陈大跃.生物医学工程与机器人技术[A].中国仪器仪表学会医疗仪器分会.海峡两岸医疗仪器学术会议论文集[C].中国仪器仪表学会医疗仪器分会:,1995:6.