骨科手术机器人技术应用现状和未来

骨科手术机器人技术的现状与未来新疆医科大学第五附属医院数字骨科实验室刘大鹏机器人手术是天方夜谭吗？精确性灵巧性安全性智能ASIMO发展史ASIMO(AdvancedStepInnovativeMobility，高级步行创新移动机器人)从2000年10月31日诞生，ASIMO的进步可以用神速来形容，2012最新版的ASIMO，除具备了行走功能与各种人类肢体动作之外，更具备了人工智能，可以预先设定动作，还能依据人类的声音、手势等指令，来从事相应动作，此外，他还具备了基本的记忆与辨识能力。但他的始祖E0在1986年已经诞生。ASIMO的结构•视觉高速摄像机双目视觉原理•驱动器伺服电机+谐波减速器+驱动单元•控制装置电脑先进的运动控制软件和算法•传感器脚部六轴向脚部方位传感器躯体陀螺仪和加速传感器•电源部分38.4V/10AH(镍锌)机器人的发展历史1920年，捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。卡佩克在剧本中把捷克语“Robota”写成了“Robot”，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。1947年美国阿尔贡实验室建成遥控主从机械手。1949年美国MIT实验室研制出数控铣床。1950年，美国作家埃萨克·阿西莫夫在他的科幻小说《I，Robot》中首次使用了“Robotics”，即“机器人学”。阿西莫夫提出了“机器人三原则”，阿西莫夫因此被称为“机器人学之父”。10111954年，美国人GeorgeC.Devol提出了第一个工业机器人方案并在1956年获得美国专利。1960年，Conder公司购买专利并制造了样机。1961年，Unimation公司（通用机械公司）成立，生产和销售了第一台工业机器人“Unimate”，即万能自动之意。1962年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控自动通用机器人，取名“Versatran”，即多用途搬运之意，并以“IndustrialRobot”为商品广告投入市场。121967年，Unimation公司第一台喷涂用机器人出口到日本川崎重工业公司。1968年，第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所诞生。1972年，IBM公司开发出直角坐标机器人。1973年，CincinnatiMilacron公司推出T3型机器人。1978年，第一台PUMA机器人在Unimation公司诞生。1982年，Westinghouse公司兼并Unimation公司，随后又卖给了瑞士的Staubli公司。1990年，CincinnatiMilacron公司被瑞士ABB公司兼并。日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器人。60～70年代是机器技术获得巨大发展的阶段。80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下、排险、核工业等，机器人的感知技术得到相应的发展，产生第二代机器人。90年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器人发展。随着机器人技术的发展形成了新学科—机器人学。建立了相应学术组织，定期举办学术活动。国际会议：ISIP、IEEE——IROS、ICR&A等。国际杂志：《RobticsResearch》、《Robotica》、《RoboticsandAutomation》等。我国机器人技术起步较晚，70年代末，一些院校和企业，开始研制专用机械手，80年代初，开发小型的教育机器人。1985年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇Ⅰ号）。国家“863”计划把机器人技术作为重点发展技术来支持。建立了“机器人示范工程中心”和机器人国家开放实验室（沈阳自动化所、哈工大、合肥机械所、上海交大、南开大学）。我国也建立了机器人学的学术组织，定期举办学术活动。学术会议：每两年左右去办一次大型全国性会议。学术刊物：《机器人》、《机器人技术与应用》等。机器人将会像个人电脑一样走进千家万户---家家都有机器人！---比尔盖茨新疆大学电气工程学院12/10/2013国外突破性发展1985年，出现了基于工业机器人平台的外科机器人。美国的KwohYS等采用Puma560工业机器人完成了脑组织活检中探针的导向定位。1987年，美国ISS公司推出了NeumMate机器人系统，采用机械臂和立体定位架来完成神经外科立体定向手术中的导向定位1989年，英国的皇家学院机器人技术中心利用改进的6自由度Puma机器人，开展了前列腺切除术，大大缩短了手术操作时间。新疆大学电气工程学院12/10/20131994年，美国ComputerMotion公司推出了第一种能够用于微创手术的医用机器人产品Aesop(伊索)机器人。Aesop具有7个自由度，能够模仿人类手臂的姿态和功能，有效辅助医生抓持和操作内窥镜设备，在心脏、胸外、脊柱等多种外科领域有广泛应用。1995年，Zeus(宙斯)系统实现了医生远距离控制从端机器人进行精细的手术操作和稳定的器械抓持等动作。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。1997年，国内研制了基于Puma262的脑外科机器人辅助定位系统。1997年，美国IntuitiveSurgical公司推出了DaVinci(达芬奇)系统。2001年，以色列Mazor公司推出了小型并联的脊柱外科机器人SpineAssist，高度不足70mm，质量不过200g，可直接安装在骨骼上，显著提高了定位精度和稳定性。国内外主要骨科手术机器人项目一览表国外项目研发机构机器人名称用途特点研发时间医疗器械注册许可证美国lSS公司RoboDoc全髋置换术原型机采用了四轴直角坐标工业机器人本体1992无德国OttoMaquet公司Caspar全髋、全膝关节置换，韧带重建术采用StabuliRx90工业机器人，磨削精度0.1mm1999无美国匹兹堡大学Mars关节成形小型并联机器人2005无法国PraximMedivision公司Praxiteles全膝置换的骨骼磨削2004无英国ImperialCollegeAcrobot膝关节单颗置换1997无以色列Mazor公司SpineAssist椎弓根螺钉内固定、椎体成形术高度70mm，质量200g2001有。已植入15000枚椎弓根螺钉，无并发症。瑞典MedicalRobotics公司PinTrace长骨、骨盆骨折二维透视导航1997无骨科手术机器人技术现状国内外主要骨科手术机器人项目一览表国外项目研发机构机器人名称用途特点研发时间医疗器械注册许可证哈尔滨工业大学骨折手术治疗基于Motoman工业机器人2002无上海交通大学与上海第二医科大学关节置换2004无。完成模拟测试实验。北京天智航技术有限公司双平面骨科手术机器人长骨、骨盆骨折小型并联模块化机器人2006有香港中文大学髓内钉，骨盆骨折，脊柱2006无第三军医大学重庆新桥医院与中科院沈阳自动化研究所脊柱微创手术机器人基于Motoman工业机器人2010无前期临床试验目前存在的问题1.无法完成多种手术，使用范围小。2.多由电机专家研究，没有充分利用骨科医生的优秀临床经验。3.没有集成导航系统。4.操作繁琐，骨科医生需要面对多种设备的多种操作接口。5.没有采用开源的基础算法和通讯协议，标准化和推广难度大。6.价格昂贵，维护成本高，医院和患者无法承受。Robodoc手术系统德国CASPAR手术系统香港中文大学研发的6轴机器人MedicalRoboticsECES690/490MitulShah11715595TheWorkstationMiniatureRobotDeviceTheT-FrameMedicalRoboticsECES690/490MitulShah117155952004199519651850机器人的组成•机器人大脑——主板•机器人思想——程序•机器人感知——传感器•机器人手脚——马达•机器人骨架——机械结构•机器人食物——电池人机反馈规划编程操作人驱动控制机械本体作业环境人机交互位姿感知机电系统反馈机器人体系基本结构机器人学的研究领域一、传感器与感知系统：•新型传感器的开发：视觉、听觉、触觉等•多传感器系统与传感融合•传感数据集成•主动视觉与高速运动视觉•传感器硬件模块化、传感系统软件•恶劣工况下的传感技术•连续语音理解与处理•虚拟现实技术机器人学的研究领域二、驱动、建模与控制：•超低惯性驱动电机•直接驱动与交流驱动，伺服驱动•控制机理（理论）：分级递阶控制、专家控制、神经网络控制、预测控制等•控制系统：结构体系、控制器•在线控制与实时控制•视觉控制与声音控制、语音控制等机器人学的研究领域三、自动规划与调度：•环境模型的描述•任务规划与路径规划•协调操作与运动规划•任务协商与调度•制造（加工）系统中的机器人调度机器人学的研究领域机器人的分类•串联机器人•并联机器人20公斤的ABB6轴机器人串联机器人并联机器人机器人的分类---并联机器人setwart并联机器人Delta并联机器人地震仿真模拟平台Delta型并联手术机器人德国柏林洪堡并联手术机器人44交流伺服电机目前在机器人系统中，90%的系统采用交流伺服电动机。交流伺服电机驱动放大器增量式光电编码器HD谐波齿轮骨科手术的基本操作•钻孔•切割---------适于机器人操作。骨科手术类似于雕刻CAOS系统CAOS的组成1.计算机辅助骨科手术主处理系统。2.成像设备系统：用来提供人体组织器官的解剖结构信息和功能信息。3.立体定位系统：用来对人体组织器官、机器人和手术器械进行定位。4.手术机器人：用来进行术中立体定位和手术干预。对于CAOS系统的主要组成部分——手术机器人，y一般有以下要求：1.选择合适的机构构型：串联机构由于运动范围大、动作灵巧，适合于胸腔手术、腹腔手术等场合应用，用于操持内窥镜或下场的手术器械；并联机构由于结构紧凑、刚性好、精度高、运动范围小，适合于骨科等要求移动量较小、出力大的场合。将串并两结合，发挥二者的优点，是未来医用机械的发展趋势；2.小型化，结构紧凑，便于安装和维修；3.符合医生习惯，设计前应充分了解手术过程，个机构适合手术的特点，便于操作；4.方便消毒，保证系统的安全性；骨科手术机器人系统组成技术指标•术前规划功能。•导航精度将达到1mm。•具有6个以上自由度。•操作精度达到0.1mm。•能够快速而高质量完成胫骨、股骨骨折髓内钉手术、股骨颈空心钉手术和骶髂关节螺钉手术。关键技术1.导航技术光学定位跟踪技术图像配准技术2.软件系统3.骨科手术机器人运动控制器光学定位跟踪技术主要解决光学定位系统和医学图像的空间坐标配准问题------需要通过开发专用软件来实现。图像配准工作基础、可行性2.软件系统软件系统的构成1.系统软件的开发建立图像处理（分割，配准，建模）平台，提供用户接口，虚拟手术，发出控制命令。2.通信子程序解决不同设备系统之间的通讯连接问题。3.运动规划子程序接受导航系统的运动控制命令，对机器人的运动轨迹进行计算，计算出每个关节电机的运动量，传送到多轴运动控制模块。基于MITK开发图像处理软件•MITK(MedicalImagingInteractionToolkit)是一款开源的交互式医学图像处理软件开发平台。•目前已能实现图像的分割，三维建模，图像的配准功能，虚拟手术和手术器械路径规划功能正在开发中。工作基础、可行性三维重建3.骨科手术机器人运动控制器•解决机器人的实时运动控制问题。研究内容、技术路线CAOS系统的一般工作步骤1.术前规划(1)获取患者损伤部位相关医学图像；(2)图像处理及骨骼的三维建模；(3)建立假体的三维模型；(4)将假体三维模型与骨骼三维模型进行配准；(5)位置调整与优化；(6)确定手术方案。2.术中干预(1)把患者固定在手术台上并定位；(2)将切割三维模型输入机器人控制器；(3)确定机器人和患者的基准点；(4)机器人或医生执行手术动作；(5)整个手术过程严格监视患者的移动。3.术后评价(1)把机器人移离患者，松开患者；