骨科手术机器人专家讲座

目录1.引言2.手术机器人构型3.骨科手术机器人4.CAOS系统5.总结骨科手术机器人专家讲座第1页引言伴随交通事故频发和人们运动损伤增多，创伤已经成为全球第二大死因。所以，新骨科手术技术发展就显得愈加有益。医疗机器人，是近十几年来发展比较快速一个新应用领域，大部分是应用计算机，把患者影像资料如X光片、CT、核磁等进行叠加分析处理，然后依据分析结果，控制机器臂完成一些医生不能完成或完成得没有机器好动作和步骤。骨科手术机器人专家讲座第2页先进机器人技术在医疗外科手术规划模拟、微损伤准确定位操作、无损伤诊疗与检测、新型手术医学治疗方法等方面得到了广泛应用，这不但促进了传统医学革命，也带动了新技术、新理论发展。骨科手术机器人专家讲座第3页手术机器人构型计算机辅助骨科手术系统关键技术包含：手术机器人、医学三维图像建模技术、虚拟手术仿真技术，远程操作网络技术等。对于手术机器人，其结构由手腕和手臂两部分组成，在手术中作用是：①将手腕末端和手术器械定位到切点;②对手术器械定向，使其穿过切点抵达手术部位。骨科手术机器人专家讲座第4页针对上述要求，对于医疗外科机器人手臂，能够总结出设计普通要求是:1)易于实现高定位精度;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，工作空间尽可能大;4)在到达相同工作空间条件下，手臂本体占据空间小;骨科手术机器人专家讲座第5页为了到达空间一定范围内任意位置，机器人手臂最少要求有三个自由度。而且依据上述要求我们选择串联机构。机器人经典手臂结构及性能Typicalarmstructureandcapability骨科手术机器人专家讲座第6页依据计算、试验及实践可得，其中圆柱坐标、SCARA型、直角坐标被认为是很好结构形式，当前大多数医疗外科机器人采取这三种结构。如瑞士一个用于神经外科立体定向手术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。骨科手术机器人专家讲座第7页手腕

当被操作物体或工含有姿态要求时，就需要在机器人手臂末端联接实现姿态要求手腕。为便于控制，减小姿态参数之间干扰，依据所需要实现操作来确定手腕关节构型是非常主要。依据并联机构含有刚度大，结构稳定，运动惯性小，精度高等特点，能够采取并联机构作手腕关节。二自由度手腕——串联机构三自由度——并联机构骨科手术机器人专家讲座第8页并联机构

1965年，德国Stewart创造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)数控机床与加工中心并引发了轰动。骨科手术机器人专家讲座第9页串联机构与并联机构对比基本特征串联机构并联机构设计思想沿笛卡尔坐标系XYZ轴布置构件，串联连接，切削等负载不分摊负担不沿任何坐标布置构件，并联连接，切削等负载大致均匀分摊刚度低（弹性变形累积、构件除承受拉压力外还受弯矩、扭矩）高（刚度累积，构件之手拉压力）移动部件质量大（通常工件和工作台移动）小（通常工件和工作台不移动）动力学特征差，伴随尺寸增加愈加恶化好，甚至在尺寸增加时人能保持运动耦合只有少许耦合紧密耦合且非线性误差传输误差累积而放大误差平均二变小精度检定与校正相对简单，已经有不少结果可借鉴复杂，研究结果极少坐标变换运算普通不需要需要骨科手术机器人专家讲座第10页骨科手术机器人20世纪80年代，机器人等自动化设备已经在工业领域取得了广泛应用，在操作灵活性、稳定性及准确性方面显示出了显著优势。为了处理外科手术中存在精度不足，辐射过多、切口较大、操作疲劳等问题，人们开始探讨怎样在外科手术中引入机器人技术，改进手术效果。骨科手术机器人专家讲座第11页1985年，美国采取Puma560工业机器人完成了脑组织活检中探针导向定位。1989年，英国利用改进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基于虚拟现实手术训练系统。1992年英国DaviesBL研究了基于PUMA262脑外科机器人系统；1997年德国LuethTC研究了基于并联机器人机构用于头部外科手术机器人手术系统；美国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微型六自由度并联机器人。骨科手术机器人专家讲座第12页哈工大辅助正骨机器人系统北航机器人牵引装置

国内也开展了医疗机器人方面研究工作。哈尔滨工业大学成功研制了基于遥操作技术辅助正骨机器人系统。北京航空航天大学研制出了国内首台用于医疗接骨机器人样机。骨科手术机器人专家讲座第13页计算机辅助骨科手术系统均含有以下优势优势：（1）定位更精准（2）缩短X光照射时间，保护医护人员和病人（3）把握部位更稳（4）改进手术方式，医生们配合更默契（5）处理临床教学和手术培训问题骨科手术机器人按医生与机器人之间关系能够分三类：主动型、半主动型和被动型。骨科手术机器人专家讲座第14页主动型系统主动型CAOS，即使用机器人自主完成手术过程。世界上第一台临床应用主动型CAOS是1992年美国IntegratedSurgicalSystem企业推出了ROBODOC机器人系统。ROBODOC是在传统工业机器人基础上开发而成，能够完成全髋关节置换，骸骨替换，髓骨置换及修复和膝关节置换等手术。骨科手术机器人专家讲座第15页该企业还开发了ORTHODOC图像处理系统，依据CT图片进行3D建模和手术规划，为手术提供全部需要数据，帮助医生完成手术仿真和监控。ROBODOC首先使用术前CT图片规划手术路径，在术中将病体位置与术前CT进行校准，同时在手术过程中机器人和病体经过刚性夹具连接固定。截止1997年1月robodoc系统已完成了850例骨科手术，术后反应良好。骨科手术机器人专家讲座第16页Robodoc手术系统德国CASPAR手术系统骨科手术机器人专家讲座第17页Mars手术系统半主动型系统半主动型CAOS中机器人动作过程由医生参加控制，而医生动作又会被机器人系统依据规划路径加以限制。英国ACROBOT系统骨科手术机器人专家讲座第18页被动型系统被动型CAOS系统本身并不进行手术操作，医生含有完全主动控制权。被动系统作用是在手术中为医生提供所需导航信息或提供手术工具，因为其赋予了医生很大自主权，所以从安全性和实用性来讲是当前被接收程度最高一类CAOS系统。骨科手术机器人专家讲座第19页crigos系统美国显微外科手术系统骨科手术机器人专家讲座第20页当前，C型臂在我们大中小型医院最为普及，而且一旦出现术中其它特殊情况，仍可采取暂时拍摄X光图片加以赔偿。

C型臂图像导航系统骨科手术机器人专家讲座第21页北航髓内钉锁孔导航系统关节整形手术系统而按手术对象分，则可分为：全髋（膝）关节置换手术、骨折治疗、脑外科、脊椎外科手术、以及骨骼整形等。骨科手术机器人专家讲座第22页HipNav全膝关节置换系统美国NASA脑外科手术系统骨科手术机器人专家讲座第23页美国脊柱手术系统及其测试环境骨科手术机器人专家讲座第24页远程手术手术机器人是经过将术者手术操作转化为数字信息,传递给机器人操作臂,控制操作臂来完成手术。年9月,在美国纽约外科医师经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宙斯机器人,为一位68岁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。骨科手术机器人专家讲座第25页远程胆囊摘除术这次命名为“林德伯格手术”成功,意味着不需移动任何人位置,世界上任何一个角落患者欲得到世界上任何一位顶尖教授亲自操作手术治疗梦想将成为可能。这是远程手术一个里程碑,标志外科手术跨时代飞跃。骨科手术机器人专家讲座第26页CAOS系统CAOS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解剖结构信息和功效信息。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。骨科手术机器人专家讲座第27页对于CAOS系统主要组成部分——手术机器人，我们有以下要求：1.选择适当机构构型：串联机构因为运动范围大、动作灵巧，适合于胸腔手术、腹腔手术等场所应用，用于操持内窥镜或下场手术器械；并联机构因为结构紧凑、刚性好、精度高、运动范围小，适合于骨科等要求移动量较小、出力大场所。将串并两结合，发挥二者优点，是未来医用机械发展趋势；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，个机构适合手术特点，便于操作；4.方便消毒，确保系统安全性；骨科手术机器人专家讲座第28页CAOS系统普通工作步骤1.术前规划(1)获取患者损伤部位相关医学图像；(2)图像处理及骨骼三维建模；(3)建立假体三维模型；(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。骨科手术机器人专家讲座第29页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移动。骨科手术机器人专家讲座第30页3.术后评价(1)把机器人移离患者，松开患者；(2)检验手术效果，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)依据各次临床反应来优化机器人设计。骨科手术机器人专家讲座第31页CAOS系统存在缺点（1）触觉反馈体系缺失（2）手术机器人器械臂固定以后,其操作范围受限；（3）整套设备体积过于庞大,安装、调试比较复杂；（4）系统技术复杂,在使用过程中可能发生各种机械故障；（5）手术前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，包括外科机器人体系结构、机器人运动机械约束、多传感器监测等技术,当前还未能够形成一个普遍认可安全标准。骨科手术机器人专家讲座第32页同时，国内外在机器人辅助骨科手术方面主要是利用机器人辅助医生完成操持器械、导航等功效操作，利用机器人直接完成手术研究较少。

另首先，当前医疗机器人设计上主要是利用现有技术进行系统集成，而真正从医用机器人本身角度出发去研究医疗机器人建模、分