医疗机器人系统的研究和发展

医疗机器人系统的研究和发展摘要：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。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，是目前机器人领域的一个研究热点。关键词：医疗机器人；伤病员；手术；康复一、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。二、国内外研究现状近年来.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0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。2．1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。2.2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。2.3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。三、一些先进的医疗机器人3.1爬行摄像胶囊按照设计，这个机器人可携带摄像机，通过有弹性的“腿”爬进患者的消化道，替代传统内窥镜进行检查。它可用来检查食管、胃和十二指肠内部的损伤或溃疡情况，由意大利圣安娜高等学校的CRIM实验室开发。3.2游动摄像胶囊这款摄像胶囊由微型螺旋桨驱动，也设计用于检查人体消化系统。在被患者从里吞服下以后，它会“游动”检查医生所怀疑的区域。3.3远程诊断如图所示，医生正通过RP-7医疗机器人向护士询问患者病情。这款机器人与听诊器、耳镜和超声扫描仪相连接，还有一个相机和一个屏幕，使患者和远方的医生都能看到对方，从而使医生可以最大限度地像亲临现场一样进行诊疗。3.4肌肉机器人RI-MAN机器人是由日本名古屋理研生物模拟控制研究中心开发的医用搬运工模型。它不仅有柔软、安全的外型，手臂和躯体上还有触觉感受器，使它能小心翼翼地抱起或搬动患者。从长远来看，RI-MAN机器人能取代护工去照顾老人或体弱多病者。3.5摄影机器人在微创手术(即“锁孔手术”)中，摄影机器人FreeHand可以让外科医生运用头和脚来控制腹腔镜相机。这意味着他们可以腾出手来做手术。3.6前列腺诊疗机器人根据设计，Robot机器人可以让外科医生准确地切除肥大的前列腺，将对患者造成的伤痛降至最小程度。外科医生只需指定要切除的前列腺部分，无需进一步干预，机器人即可自动将其切除。3.7吞服式机器人患者可将一块块的ARES机器人(即“可重构装配腔内手术系统”)吞入腹中，或由医生通过自然开口将其一块块插入人体，接着，它们会在体内自行组装。这样一来，外科医生在少切口或根本不用切口的情况下也能对患者进行手术。患者要吞服15块不同的机器人组件，后者进入体内受损部位。一旦到达指定位置，机器人组件就会组装成一个能够实施手术的较大工具。3.8.结肠诊疗机器人Endotics结肠诊疗机器人利用钳子和扩充器自行拉动在肠道内移动，而不需要像常规结肠镜那样由医生将其推入患者体内。Endotics机器人对肠壁施加的压力更小，从而减轻了患者的不适感。机器人的移动方式是受尺蠖毛虫的启发。四、研究热点与展望医疗外科机器人是一个多学科的交叉研究领域,它涉及电子通讯技术、机器人的机构设计、机器人控制技术、计算机控制方法、计算机图像处理、计算机图形学、虚拟现实技术、医学和微创伤手术方法等等,涉及面广,研究内容广泛,因此医疗外科机器人系统的研究是一个具有相当难度的课题。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对非工程技术的可操作性。(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。目前在国际上,高新的机器人技术在医疗领域的应用正在形成一个新的产业。我国政府有关部门已经开始关注这类医疗电子设备的研究与开发,国内清华大学、北京航空航天大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、南开大学、上海冶金所、上海光机所以及长春光机所等分别在仿生机械、医疗外科机器人、微机器人(MicroRobotics)和微电子机械结构(MicroElectroMechanicalStructure)等方面开展了初步的研究工作,并正在积极与各大医院加强合作,将研究成果向实用方向转化。总的来看,国内医用机器人系统的研究刚刚起步,由北京航空航天大学和海军总医院联合研制的机器人辅助立体定向神经外科手术系统于1997年成功地应用于临床手术,目前国内尚无其它医疗外科机器人系统用于临床手术的报道。据调查,医院迫切需要用于关节置换的辅助手术规划系统,有的医院尽管已从西方发达国家进口了该类系统,但进口软件的设计是针对外国患者体形的,由于东西方人体形上的差异,因此进口系统的应用也受到了限制。近年来,我国科学技术研究和应用在“七·五”、“八·五”和“863”计划的推动下,取得了长足的进步,在先进机器人关键技术的研究也取得了许多重大突破,如冗余度机器人机构、多指灵巧手、传感器、局部自主控制以及全局行动规划等,这些关键技术可以直接推动医疗外科机器人系统的研究和发展。另外在国家支持和市场需求的推动下,相信医疗外科机器人系统的研究开发一定能够得到蓬勃发展。五、参考文献1岩明.机器人技术发展预测.机器人情报,1991;1:1～32王田苗,宗光华,张启先.新应用领域的机器人——医疗外科机器人.机器人,1996;18(增刊):603～6063林良明,丁洪1机器人技术在医疗和福利工程中的应用研究.世界医疗器械,1997;3(1):46～504DarioP.Roboticsinmedicine.InternalProgressReport,ARTSLab,1993;739～7525Edward.ROBOSurgeonsPopularScience,1995;246(4):62～656JamesBJ.DirectuseofCTscansforhyperthermiatreatmentplanning.IEEETransBME,1992;39(8):845～860