骨科手术机器人.ppt

引言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、新型手术医学治疗方法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。手术机器人构型针对上述要求，对于医疗外科机器人手臂，可以总结出设计的一般要求是:1)易于实现高的定位精度;2)运动直观性强，易于医生进行人机交互;3)在相同结构尺寸下，工作空间尽量大;4)在达到相同工作空间的条件下，手臂本体占据空间小;为了达到空间一定范围内的任意位置，机器人手臂至少要求有三个自由度。并且根据上述要求我们选择串联机构。根据计算、实验及实践可得，其中的圆柱坐标、SCARA型、直角坐标被认为是较好的结构形式，目前大多数医疗外科机器人采用这三种结构。如瑞士一种用于神经外科立体定向手术的机器人属于直角坐标结构；美国Zeus和Aesop机器人手术系统应用SCARA型；而ROBODOC辅助手术系统就属于圆柱坐标结构。手腕当被操作物体或工具有姿态要求时，就需要在机器人手臂末端联接实现姿态要求的手腕。为便于控制，减小姿态参数之间的干扰，根据所需要实现的操作来确定手腕关节的构型是非常重要的。根据并联机构具有刚度大，结构稳定，运动惯性小，精度高等特点，可以采用并联机构作手腕关节。并联机构1965年，德国Stewart发明了六自由度并联机构，并作为飞行模拟器用于训练飞行员。1978年澳大利亚著名机构学教授Hunt提出将并联机构用于机器人手臂。1994年在芝加哥国际机床博览会上首次展出了称为“六足虫”(Hexapod)和“变异型”(VARIAX)的数控机床与加工中心并引起了轰动。串联机构与并联机构的对比骨科手术机器人1985年，美国采用Puma560工业机器人完成了脑组织活检中探针的导向定位。1989年，英国的利用改进的6自由度Puma机器人，开展了前列腺切除手术，大大缩短了手术操作时间。1996年德国KuhnC研究了用于微损伤外科的基于虚拟现实的手术训练系统。1992年英国的DaviesBL研究了基于PUMA262的脑外科机器人系统；1997年德国的LuethTC研究了基于并联机器人机构的用于头部外科手术的机器人手术系统；2005美国的计算机辅助整形外科手术研究所、西宾西法尼亚医院和卡内基·梅隆大学机器人研究所研制了用于关节整形手术的微型六自由度并联机器人。哈工大辅助正骨机器人系统北航机器人牵引装置Robodoc手术系统Mars手术系统crigos系统美国显微外科手术系统目前，C型臂在我们大中小型医院最为普及，并且一旦出现术中其它特殊情况，仍可采用临时拍摄X光图片加以补偿。北航髓内钉锁孔导航系统关节整形手术系统HipNav全膝关节置换系统美国脊柱手术系统及其测试环境远程手术手术机器人是通过将术者的手术操作转化为数字信息,传递给机器人的操作臂,控制操作臂来完成手术。2001年9月,在美国纽约的外科医师通过观看电视屏幕操纵机械手,远距离(7000km外、横跨大西洋，平均延时115ms)遥控位于法国斯特拉斯堡医院手术室里的宙斯机器人,为一位68岁的患者成功进行了腹腔镜胆囊切除术,整个手术仅耗时54min,术后无并发症发生。远程胆囊摘除术CAOS系统对于CAOS系统的主要组成部分——手术机器人，我们有以下要求：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；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；(2)检查手术效果，是否需再次手术；(3)后续观察是否有手术后遗症或不良反应；(4)根据各次临床反应来优化机器人设计。CAOS系统存在的缺陷（1）触觉反馈体系的缺失（2）手术机器人的器械臂固定以后,其操作范围受限；（3）整套设备的体积过于庞大,安装、调试比较复杂；（4）系统的技术复杂,在使用过程中可能发生各种机械故障；（5）手术前的准备及手术中更换器械操作耗时较长；（6）安全性问题较为复杂，涉及外科机器