华中科技大学 机器人 结课论文 医疗机器人.doc

机器人技术基础课程论文医疗机器人最新研究与发展学生姓名 _牛茂刚_学生班级 _ CK1103_学生学号 _U201111278_手机号码 华中科技大学材料科学与工程学院医疗机器人最新研究与发展摘要： 医疗机器人技术极大地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。目前，对于医疗机器人的最新研究也在不断地产生出新的成果 ：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 ；救援机器人可以经受得住战场和灾难等恶劣环境的考验，安全救出伤病员 ；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。随着现代科技的不断进步、社会的老龄化、现代战争的高技术化以及医疗技术的发展，机器人技术在医疗领域还会得到更深入而广泛的研究和应用。从长远发展角度来看，集伤病员营救、后送、手术、转运、康复和护理为一体的真正的医疗机器人系统将会受到广泛的关注和重视。1 背景医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，具有重要的研究价值，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。医疗机器人主要用于伤病员的手术、救援、转运和康复，是医疗卫生装备信息化、智能化的重要发展方向之一。医疗机器人是目前国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。近年来，医疗机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注，研究工作蓬勃兴起。二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划(IARP)已召开过多届医疗外科机器人研讨会DARPA己经立项，开展基于遥控操作的外科研究，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在发达国家已经出现医疗外科手术机器人市场化产品，并在临床上开展了大量的病例应用研究。随着科学技术的发展, 特别是计算机技术的发展, 医用机器人在临床中的作用越来越受到人们的重视。2 特点医疗机器人与其它机器人相比，医疗机器人具有以下几个特点：其作业环境一般在医院、街道、家庭及非特定的多种场合，具有移动性与导航、识别及规避能力，以及智能化的人机交互界面。在需要人工控制的情况下，还要具备远程控制能力。医疗机器人的作业对象是人、人体信息及相关医疗器械，需要综合工程、医学、生物、药物及社会学等各个学科领域的知识开展研究课题。医疗机器人的材料选择和结构设计必须以易消毒和灭菌为前提，安全可靠且无辐射。以人作为作业对象的医疗机器人，其性能必须满足对状况变化的适应性、对作业的柔软性，对危险的安全性以及对人体和精神的适应性等。医疗机器人之间及医疗机器人和医疗器械之间具有或预留通用的对接接口，包括信息通讯接口、人机交互接口、临床辅助器材接口以及伤病员转运接口等。从技术上讲医疗机器人的发展是建立在以下几种基本技术的基础上：它们是机械设计与制造技术、传感器应用技术、自动控制技术、驱动器技术、人机交互技术。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。3 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 IEEE SPECTRUM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，像IEEE Robotics and Automation，IEEE Eng，In Medicine and biology Society,IEEE System, Man and Cybernetics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。3.1外科手术机器人研究现状手术机器人即内窥镜手术器械控制系统，具有自动的、位置可控的、可编程的多功能精密机械手。在人的控制下，机械手借助计算机施行外科手术、靶点定位、药物注入、损毁病灶等任务。外科手术机器人系统与人相比具有明显的优越性。苏黎士ETH研制的磁力驱动无线微型机器人是一种创伤很小的机器人，该机器人计划用于玻璃体视网膜的微创手术，治疗视网膜经脉栓塞。Carnegie Mellon大学的研究人员开发了一种名为Mieron的手持式机器人系统，该系统可以滤除术者的手震颤和多余的运动。加拿大Calgary大学Sutherland领导的工作小组研制了一种MRI兼容的影像引导的计算机辅助的机器人设备一NeuroArm，该系统属于主一从控制式机器人系统，可用于立体定向显微外科手术口。Kwoh等利用机械手臂PUMA200辅助神经外科手术，不仅缩短了手术时间，也显著提高了手术的准确度。Carnegie Mellon研制的Heartlander机器人是-种新型的心外膜“爬行”机器人，可在医生的操作先进行心肌内注射；该机器人的改进型由超声马达驱动，其操作性大为提高。Intuitive Surgical开发的用于微创腔镜手术的da Vinci系统是最成功的机器人系统，该系统最初目的是应用于心胸外科手术。由于其优越的功能最终广泛应用于临床各科。2010年7月我国自主研发的世界首台脊柱微创手术机器人在第三军医大学重庆新桥医院诞生并投入临床试验。主体机械臂形如人体手臂，能轻松到达脊柱椎体和骨骼相关部位的任何位置，根据手术需要安装骨钻、骨刀等手术器械，并带有摄像头和照明光源，实时中国现代普通外科进展传输手术界面至控制台。医生在控制台操作即可完成精确手术操作。由天津大学、南开大学和天津医科大学总医院联合研制的“妙手A”(McroHand A) 是国内首次研制成功的具有自主知识产权的微创外科手术机器人。北京航天航空大学与海军总医院联合研发的手术机器人系统(computer and robotic assistedsurgery，CARS)已完成第5代的研制和临床应用，并通过互联网顺利实现了远程操作。3.2康复和护理机器人研究现状康复机器人是面向残疾人以及日益增长的老年人康复需求的机器人技术产品。最早实现商业化的康复机器人是由英国MikeTopping公司1987年研制的Handyl。其次另一种成功进入市场的康复机器人是荷兰Exact Dynamics公司开发的MANUS康复机器人。早期研发的康复机器人均以单自由度为主，代表性的产品有美国的NUSTEP康复器、德国的THERAVital智能康复训练器、以色列的APT系列智能康复训练器、意大利的Fisiotek下肢被动运动训练器。上述设备运动模式单一，而价格也便宜，所以被医疗单位广泛应用。后来陆续发展了功能多、自动化程度较高的悬挂式康复机器人。代表性的产品有瑞士Hocoma AG研发Lokomat，德国的LokoHelppJ、美国的Litegait和Robomedica。这类康复训练机器人一般包括步行矫正器、体重支撑系统(悬挂装置)和步行台，主要用于患者中期和后期的步态康复训练，具有较好的医疗效果。但患者躯干被束缚悬挂，上体活动受限，舒适性差，且价格昂贵。另一类是穿戴式康复机器人。代表性的有日本筑波大学研制的Robot Suit地址瞵J、美国Berkeley Bionics公司研制的eLEGSpJ、新西兰Rex Bionics公司研制的REX。这类康复机器人主要用于患者的后期康复。坐卧式下肢康复机器人目前最有代表性的是瑞士SWORTEC公司研发的MotionMakert，该机器人可实现下肢单关节和多关节的训练，并可结合功能性电刺激进行训练。护理机器人一般用来辅助护士完成相关的护理工作，如病人翻身、更换床单等护理，以及食物、药品、医疗器械、病志的传送和投递，与病人对话，提供数据和影像支持等工作。日本机械工程研究所开发的 MELKONG，专门用来照顾那些不便走动的病人。日本三菱公司还推出了一种在 MELKONG 基础上改进的传输搬运车辆。美国运输研究会 (Transition ResearchCorporation, TRC)研制的“HelpMate”机器人，可以 24h 在医院里完成运送食物和药品的工作。对护理机器人的研究现在多集中在研究可移动机器人系统，如WALKY, MOVAID 和 ARPH 等机器人系统。康复和护理机器人的发展不仅为残疾人护理问题的解决提供了最佳方案，而且为病人和老年人日常生活护理问题的解决找到了出路。3.3其他方面的研究救援机器人主要担任危险条件下的救援工作，在火灾、地震和战场等各种场合下能迅速且安全地将伤病员救出。2003 年，国际救援系统研究所在日本政府的赞助下，开发出了第一批可以在地震废墟上爬行、飞行和跳跃的救援机器人，用于地震后受灾人员的搜索。2004 年，还研制出大型救援机器人“T52En ryu”，可轻松地挪开变形的汽车和倒塌的建筑物等障碍物，救出受灾人员。该机构计划用 15 年时间创造出一支机器人救援队伍。2007 年，美国 Vecna 公司研发出战场救援机器人“VECNAs BEAR”，其身手敏捷，能够担负普通人无法担负的任务，可以抱起受伤士兵送往后方安全地带，其行走时间长达 50min。转运机器人主要用于危重病患者的特殊检查、挪动、转床、手术和麻醉前后的接送和战场伤病员的后送，避免伤病员的再损伤。目前，国内外大部分研究还主要集中在病人转运车，主要以人工操作为主，自动化程度低。2007 年，燕山大学王洪波教授和日本 Fumio Kasagami 教授共同研制出“C-Pam”转运机器人，采用接触点相对静止技术，不需移动患者身体的任何部分，患者就会被移动到床板上，但其传感器少，自动化和智能化水平相对比较低。转运机器人在保证患者无痛转运的前提下，还要易消毒灭菌，行走灵活，控制简单，安全可靠。随着技术的进步，转运机器人正朝着自动化和智能化方向发展。医疗超声检测经常需要医生在一个难以实施的位置上，持续握住超声探头一段时间，而且有时候还需要施加比较大的力，这样得到的超声图像常常会受到医生肌肉紧张的影响。而利用机器人辅助的图像引导控制诊断系统则可以消除这种影响。对于微机器人的研究最典型的是机器人内窥镜，如微机器人自动结肠镜可以使检查时结肠镜与病人的肠壁接触面积最小，从而减轻病人的疼痛，同时，医生可以很容易地观察病患部位，以便控制结肠镜的进程。随着微机电系统 (MEMS)技术的发展，微型医疗机器人将会有更多的应用领域，比如将微机器人用于体内微型手术和定点药物释放等方面都具有诱人的前景。4 一些先进的医疗机器人据新科学家杂志网站报导，机器人技术进步不断推动医学技术向前发展，为未来外科手术描绘了美好蓝图。以下是9款最先进的医用机器人。爬行摄像胶囊：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。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。在被患者从嘴里吞服下以后，它会“游动”检查医生所怀疑的区域。远程诊断：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。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。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。前列腺诊疗机器人：根据设计，Probot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。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。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。采血机器人：顾名思义，采血机器人Bloodbot用于采集血样，由英国伦敦大学帝国学院的研究人员亚历克斯奇瓦诺维奇(Alex Zivanovic)和布赖恩戴维斯(Brian Davies)开发。2009年12月23日，伦敦亨特里恩博物馆(Hunterian Museum)将公开展出Bloodbot及其它机器人。5 医疗机器人的发展展望医疗机器人将机器人技术应用到医疗领域，极大的推动了现代医疗技术的发展