医疗机器人及其应用

医疗机器人及其应用摘要医疗机器人主要用于伤病员的救援、转运、手术和康复，是医疗卫生装备信息化、智能化的重要发展方向之一。医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，已经成为国际机器人领域的一个研究热点。通过对手术机器人和康复机器人等医疗机器人的研究现状及进展介绍，表明医疗机器人在军用和民用上有着广泛的应用前景。关键词：医疗机器人，伤病员，手术，康复引言从20世纪90年代起，国际先进机器人计划（IARP）已召开过多届医疗外科机器人研讨会，在发达国家已经出现医疗机器人市场化产品。目前，先进机器人技术在医疗外科手术规划模拟、微损伤精确定位操作、无损伤诊断与检测、病人安全救援、无痛转运、康复护理、功能辅助及医院服务等方面得到了广泛的应用，这不仅促进了传统医学的革命，也带动了新技术、新理论的发展。医疗机器人在战创伤救治方面也有着良好的应用前景，受到外军的广泛重视。美国国防部高等研究计划局（DARPA）为美国陆军未来战场伤病员救援和医疗设计了高度集成化、机器人化和智能化的医疗系统。1.1研究背景近年来，西方许多先进国家都进行专门立项投资。积极开展医用机器人方面的研究。如美国国防部开展了TelepresenceSurgery(临场感手术)技术研究。用于战场模拟手术培训和解剖教学，NASA已经在美国加州与意大利米兰之间进行了这方面的试验，欧共体技术专家Maurice在IEEESPECTRUM期刊中表示。欧共体正在制定一项新的计划，其中将机器人辅助外科手术及虚拟医疗技术仿真作为重点研究发展计划之一。日本也制定国家计划开展高技术医疗器械研究发展。许多著名的国际会议，象IEEERoboticsandAutomation，IEEEEng，InMedicineandbiologySociety，IEEESystem,ManandCybernetics等都将医用机器人与计算机辅助外科单独列为一个专题，在欧洲、美国、日本等国多次召开国际会议；1996年，机器人工业协会将Eagleburger最高荣誉奖授予了W.Barger和H.Paul博士，表彰他们在医用机器人技术临床研究方面的贡献)。目前，医疗机器人的研制主要集中在外科手术、康复和医院服务机器人系统等几个方面。1.2外科手术机器人研究现状瑞士洛桑大学研制出一种脑外科手术机器人，手术时患者的头部被固定在一个钢制框架内，医生通过CT观察病人颅内情况，并将有关的手术数据输入到控制机器人的计算机中。计算机自动识别脑中的病灶，并规划出通往病灶的途径，根据医生的指令，完成病人头部的皮肤切开、在头盖骨上钻孔、刺穿脑膜等工作，微型仪器从2毫米粗的导管中伸入到病变部位进行手术。这台机器人系统能切除脑肿瘤、能用放射性光束杀死脑中的癌细胞，还能用导管破坏帕金森病患者脑中的有病细胞，从而制止病人的颤抖。1986年，美国IBM的ThomasJ.Watson研究中心和加利福尼亚大学的研究人员开始合作开发一种创新的系统，以便进行髋骨整体置换手术。在此基础上，1992年成立了IntegratedSurgicalSystems公司并推出了ROBODOC机器人系统，它是在传统工业机器人技术基础上开发而成的，可以完成全髋骨替换，髋骨置换及修复和膝关节置换等手术，相应的，该公司还开发了ORTHODOC图像处理系统，根据CT图片进行3D建模和手术规划，为手术提供所有需要的数据，帮助医生完成监控和虚拟手术。该系统已经通过美国食品与药品检验局（FDA）认证，在美国、欧洲、中东、亚洲等地得到应用。在国内，由北京航空航天大学机器人研究所、清华大学计算机图形图像中心和海军总医院共同开发的遥操作远程医用机器人系统，该系统主要由影像获取传输、虚拟手术规划、智能机械臂，病人头部（病灶）固定装置等部分组成，可以完成确定手术靶点，重建三维病灶轮廓、引导定位器械、定向手术系统等多个复杂步骤，治疗脑部纵深病变无需开颅，这一手术突破了传统脑外科手术的定式，病人头上不必再戴厚重的金属框架以辅助定位，病人造成的创伤面比传统手术小得多，定位也较传统手术精确。1.3医院服务机器人移动机器人也许是解决目前医院服务上一些缺陷的方法，完成一些沉重的和令人厌恶的工作，如抬起病人去厕所或为失禁病人更换床单等，一些医院服务机器人近年来得到发展，一般用来辅助护士完成食物、药品、医疗器械、病志等的传送和投递工作，如美国运输研究会（TransitionResearchCorporation，TRC）(现在叫HelpMateRobotics)研制的“HelpMate”机器人，可以24小时的在医院里完成运送食物和药品的工作，与工厂所使用的自动输送车不同的是，这种机器人不是沿着固定的轨道网络行走，而是基于传感器和运动规划算法实现自主行走，适合于部分结构化的环境（StructuredEnvironment），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（如人等）。这种机器人已在数家医院安装，一些医院报告说工作效率大大提高。1.4应用现状目前，医疗机器人的实际应用主要集中在外科手术领域，机器人做手术十分精确，一个神经外科大夫的误差精度能达到2毫米，而机器人的精度可以很容易的达到微米级，在追求MIS的今天，其好处是不言而喻的，因此得到了广泛的研究和应用。目前已经商品化的产品包括前面提到的TOBODOC、AESOP、ZEUS和Davinci等系统，在各种外科手术中得到了广泛的应用。如TOBODOC辅助外科手术系统在德国、澳大利亚、西班牙、法国、英国、瑞士、中东、日本、韩国、印度等多个国家和地区都有应用，在日本大学和医院里就有7台，而在世界范围内有近500台AESOP机器人在MIS中得到应用，每年完成数万例手术，ZEUS系统在没股票和欧洲的应用也十分广泛。2手术机器人2.1肝脏肿瘤的微波消融机器人用于肝脏肿瘤的微波消融机器人[1]是关节式医疗机器人，其具有五个自由度。整个机器人安装于一个具有轮子和支撑脚的操作台上(手术时支撑脚着地，手术后轮子着地可推动)，整个机器人的控制系统安装于操作台内部。机器人的5个自由度采用伺服电机驱动，支撑脚的运动利用直线步进电机实现。2.2本身机构肝脏肿瘤的微波消融机器人由操作盒单片机、PLC、工控机、PMAC运动控制卡组成。各模块的作用如下：(1)操作盒单片机：人机交互接El；（2)主控计算机：机器人语言编译，运动规划。(3)PMAC卡：实现对5个电机的运动控制；(4)PLC：电源、安全、系统管理，操作台的升降控制。操作盒单片机和主控计算机通过CAN总线通讯。PMAC运动控制卡和主控计算机之间通过PCI总线通讯，和PLC之间利用I/O通讯。各模块之间相互监控，可以提高系统运行时的安全性。图1PLC原理图2.3控制方法和测试方法控制系统采用了分散控制方式，由操作盒单片机、PLC、工控机、PMAC运动控制卡组成。2.3.1系统状态模块包括PLC[2]准备好、控制系统准备好、控制系统故障、急停按钮、限位复位按钮等部分组成，梯形图见图2。+24V电源加到PLC上，PLC初始化自检正常后，则输出到PMAC的1106和1107置ON。若控制系统未准备好，则2705置OFF，则控制系统故障指示灯H2亮。若PMAC输入的109和110均置ON，且111(PMAC看门狗信号)置ON，则H2熄灭。急停按钮有一个按下则2706置ON。当关节限位时，SB6按钮按下，则2703置ON且自锁。图2系统状态模块梯形图2.3.2关节限位模块图3所示为关节限位模块梯形图。正常状态时，3012置OFF。若机器人关节运动到限位处，则对应的限位开关状态改变，3012置ON。该中间继电器状态在系统状态模块和驱动器电源控制模块均有使用。图3关节限位模块梯形图2.3.3驱动器电源控制模块驱动器电源控制模块程序见图4所示。驱动系统按钮为一键双用，PLC通电后，按第一次为驱动器上电，第二次为驱动器断电，以下类推。采用移位寄存器实现该功能。当系统均正常时，第一次按下驱动系统按钮SB3，K1置ON并自锁，驱动器通电。再次按下SB3，则K1断电。若K1置ON时，关节限位标志3012、急停标志2706、控制系统状态2704置OFF，则Kl置OFF。而对关节限位引起的f3012置ON)K1置OFF，可以按下限位复位按钮(2703置ON)，再按下SB3两次，则K1可置ON，这时可在PMAC的控制下，机器人从限位状态退出。退出限位状态后，2703自动置OFF。图4驱动器电源控制模块梯形图2.3.4步进电机控制模块步进电机有两种控制方式：长动控制(升降的速度和位移固定)、点动控制(升降速度固定，位移由操作者决定)。下面介绍长动控制中上升控制和点动控制程序。长动控制方式中的上升控制梯形图见图5中(a)，SB1为双用按钮(带指示灯H3)，PLC每次上电后第一次按下为操作台上升，再次按下为操作台下降，以下交替变化。上升操作时，按下操作台升降控制按钮SB1，PLC发出频率固定的固定脉冲数，直线步进电机按要求启动，操作台支撑脚下降，操作台上升。操作台车轮抬起到固定位置后，步进电机停止运动，操作台转为支撑脚固定支撑。程序中HR000和HR001的作用：当PLC电源断电时自动记忆步进电机(操作台)的状态。AR1114表征脉冲输出口0的脉冲输出是否已完成。在上升或下降过程中不再响应升降控制按钮，可以响应点动升降按钮。梯形图中扩展指令说明如下：(1)PULS设置脉冲指令：图5(a)中设定为脉冲输出口0，相对脉冲，脉冲个数存储在DM0和DM1中。PLC中DMO设置为2000，DM1中设置为11，则脉冲个数为112000。驱动器设定为32细分，则每转为32*200=6400个脉冲，每转位移0.0127200=2.54mm，脉冲个数对应的位移为44.45mm。另外在PLC初始化设置中将DM6629设置成相对坐标系统。(2)ACC加速度控制指令：用来启动带梯形加减、速的脉冲输出。列位指定符指定为单相脉冲输出1210带梯形加速度和减速度；模式指定符指定为独立模式和增减脉冲输出模式；加速率、目标频率、减速率分别存放于DMIO、DM11、DM12中。(3)INI模式控制指令：本程序中用来停止脉冲输出，也可以用来改变脉冲输出当前值[6]。点动控制梯形图见图5中(b)，按下点动升降按钮SB2后(不需长按)，进入点动升降状态，点动升降灯H4亮，通过SB1控制点动方向(第一次按下上升，第二次按下下降，均需长按)，点动升降结束后，再次按下SB2，即可退出点动升降状态，H4熄灭。程序中SPED指令设置为：不带加速或减速的单相脉冲数出口0，连续模式，脉冲频率9600Hz。图5操作台升降控制程序2.4功能将PLC应用于医疗机器人，可以充分发挥PLC抗干扰能力强、运行安全可靠等优点。配合其它控制系统，进行了现场调试，PLC和其它控制系统[8]均能正常工作，整体运行稳定，安全可靠。肝脏肿瘤的微波消融机器人运用的可编程运动控制器比国外的PLC更加稳定可靠、功能更加强大、价格更具优势。硬件设计注重其稳定可靠性，对抗干扰方面作了很多特殊处理，如采用双电源模块供电等；软件设计注重对其进行二次开发的方便快捷，用户只需根据被控对象的动作编写相应的客户程序即可，使得小控制器的通用性非常好。3康复机器人3.1外骨骼式康复机器人脑损伤引起的偏瘫等运动功能障碍给患者的家庭和社会带来了沉重的负担。正确、科学的康复训练对肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。神经康复治疗过程是一项艰苦的工作，目前主要依靠康复医师对患者进行一对一的手工操作和主观临床经验对患肢进行的评估，限制了康复水平的提高．康复医学与机器人技术的结合提高了康复训练的效率并保证了动作训练的强度，为研究新的康复技术开辟了新的途径。1993年加利福尼亚大学的PeterS。Lum研究设计了名为手一物体一手(hand—object—hand)的双手康复装置及训练双手上举协调性的装置(biman—ualliftingrehabilitator)为患手提供力辅助而训练上举协调性。2000年，Lu