医疗机器人的应用与发展

医疗机器人的应用与发展

医疗机器人的发展机器人技术是人类科学技术的重要产物之一，尤其是计算机和自动控制技术。自从二十世纪中期的第一台工业机器人诞生到现在,机器人技术早已不再局限于传统的工业和制造业。同时由于电子技术、传感器技术、医学影像技术、现代信息处理技术等技术的飞速发展,机器人技术应用到医疗领域,由此而产生的医疗机器人,也已经有近二十年的研究发展历史了。目前,部分医疗机器人,特别是外科手术机器人,已经开始从实验室研究阶段走向临床商业应用阶段。医疗机器人的发展不仅在医学领域产生了重大的影响,为传统医学带来了极大的技术甚至是观念上的变革,而且作为一种产业已经成为世界经济新的增长点,因而受到了世界各国的重视。针对医疗机器人的研究也正处在不断的进步和发展之中。医疗机器人是多学科研究和发展的成果,它包括被应用在以诊断、治疗、康复、护理和功能辅助等诸多医学领域的机器人。其中大部分对于医疗机器人的研究是对外科手术机器人和用于康复及护理的机器人的研究。下面介绍部分医疗机器人领域的现状以及最新研究进展和发展方向。1.外科手术机器人1.1外科手术机器人系统的应用优势目前外科手术机器人已经广泛的应用于神经外科,矫形外科以及内窥镜手术中。手术机器人系统可以在手术前帮助医生进行手术的规划和模拟操作,并且在手术中协助甚至代替外科医生进行相关的手术操作。在神经外科和矫形外科手术中,外科手术机器人系统利用其导航系统分析和综合由各种诊断设备,如CT,MRI,超声等获得的诊断和图像信息来显示手术前或手术中,病理组织和机器人操纵的手术器械之间的相对空间位置,从而实现对手术的规划和调整。导航系统对于神经外科,特别是脑部手术具有极其重要的意义。在手术执行过程中,由于机器人操作的稳定性和精确性,往往可以在同等情况下实现比传统的人工手术更好的手术效果。比如在关节置换手术中,使用外科机器人切割和打磨的人体骨断面比手工切割的骨断面与需要植入的人工关节的吻合程度要高很多。同样,外科手术机器人系统不仅解决了传统内窥镜手术中的许多问题,而且使微创手术进入了一个全新的技术时代。传统的内窥镜手术是将内窥镜和各种手术器械通过在病人身上的小切口伸入病人体内进行的手术,但是手术中医生容易疲劳,而且一般需要手术医生和操作内窥镜的医生同时操作。因此,在手术中保持内窥镜图像的稳定,清晰以及和手术医生的意图保持高度的一致都是传统内窥镜手术存在的问题。一般用于内窥镜手术的外科机器人系统都使用遥操作机器人系统。这个系统提供给医生一个主从控制的操纵器(可能是手柄,鼠标,键盘,或者是声音控制器),和一个较清晰的视觉显示信息。使用这种主从操作方式可以使外科医生获得一种与以往传统手术相似的操作环境,同时又有效地利用了机器人在外科手术中的稳定精确的操作,可以减少外科医生在手术中因为疲劳产生的误操作和手部的震颤,提高手术的精度和质量。另一方面,手术医生可以通过踏板、手柄、头带或者声音等方式直接控制内窥镜,这样可以有效的缩短手术时间,减少手术人员。使用手术机器人甚至可以在心脏不停跳的情况下进行心脏的动脉搭桥手术。目前外科手术机器人系统已有较多成熟的产品,如ComputerMotion公司的ZEUS外科机器人系统,IntuitiveSurgical公司的DaVinci外科机器人系统等。1.2手术机器人的应用在已有的外科机器人系统的基础上,目前正在不同的方面不断地解决存在的问题,改进外科机器人的性能,使其功能更强,操作更简单,安全性更好。(1)关于手术机器人操作控制方面的研究将触觉信息整合到外科机器人中便是目前对于手术机器人的重要研究之一,并且已经研制出一些实验样机。对于医生而言,触觉感知是其手术经验的重要组成部分,但是现有的外科手术机器人系统中的导航系统,或者内窥镜只会通过显示设备反馈给医生图像方面的信息。所以在机器人手术中通过力反馈技术使医生在使用机器人手术系统时获得在传统手术中具有的触觉感,可以用来补偿和改善目前机器人手术中外科医生完全凭借视觉信息来进行的判断和操作。另外,触觉信息还可以在手术模拟和导航中指导医生在安全的区域中进行手术。在现有的外科机器人的基础上,通过对手术器械的位置和产生的力进行更精确的检测和控制,使机器人能够进行精确的微小运动,从而自动实施某些精细的手术操作。这样有利于将手术机器人应用到更多的手术中去。比如通过对手术中的缝合过程的几何和力学模型的建立和研究,HyosigKang等人利用手术机器人实现了手术中的自动缝合操作。通常的内窥镜手术操作被描述为一个4自由度问题,现有的外科手术机器人一般都满足必要的运动自由度要求,但是在操作的便利性和手术的安全性上还存在不足。研究不同自由度的机器人以及在手术过程中机器人执行端操作的运动模型,是提高手术操作的便利性和安全性的一个重要研究方向。比如Krupa等人通过一个具有6运动自由度的机器人,同时利用力传感器和控制技术,使得在手术中,即使病人有一定的相对移动时,手术机器臂施加于手术创口的力总为零,从而达到有效保护创口的目的,确保了手术的安全性。远程手术的研究也取得了很大的进展。远程手术可以使那些在缺乏某类手术专家的地区的病人接受相应的手术治疗。对于战地手术,远程医疗会诊,远程医疗教学都具有实际的应用价值和意义。2001年一位在纽约的外科医生为身在法国的病人进行胆囊摘除手术,手术的平均延时仅155ms,如图1所示。(2)与手术机器人导航相关的研究内窥镜手术中对内窥镜或者手术器械的自动跟踪,也是手术机器人的重要研究课题之一。在内窥镜手术中,外科医生通常先控制内窥镜找到手术区域,然后移动手术器械至手术区域进行手术,但是此时通常手术器械并不在内窥镜的视野范围内,此时医生只能扩大内窥镜的视觉区域,或者对手术机械进行盲移,这样往往会带来潜在的危险,如手术器械之间的碰撞,或触及病人的脏器。目前已有研究通过视觉伺服技术,寻找和跟踪内窥镜视野中的手术器械,或者自动将手术器械移动到内窥镜的视野中,比如A.Krupa等人通过激光和视觉标记等手段,通过计算机图像处理和机器人控制,自动移动手术器械,使其始终位于内窥镜视野的中央或者医生指定的位置。对于关节置换手术中校准算法的研究表明,应用新的校准算法可以省去手术前在腿骨上安置定标装置或者进行CT扫描等复杂过程,同时达到与现有的矫形手术机器人相当的操作精度。还有研究表明在脑部手术中,在进行CT扫描和图像三维重建后,由医生确定出病理部分和关键性的神经,血管以及重要的大脑组织,可以通过映射算法自动产生手术路径,并且可以直接由机器人执行手术。另外,图像导航系统还被扩展应用到对于各种肿瘤的准确放射治疗中。2.会饮机器人的使用,帮助患者处理一般生活和环康复护理机器人是为了帮助病人进行康复训练,或以机器人辅助病人的某些生理功能,照顾老人或残疾人的日常生活,帮助处理医院里的一些日常事务而设计的一类机器人。2.1辅助功能机器人用于帮助病人进行康复训练的机器人种类较多,包括帮助中风患者、脑或脊椎外伤病人恢复行走能力的腿部训练和上肢训练的机器人,帮助咀嚼肌出现紊乱的病人恢复口部的正常开闭活动能力的康复训练机器人等。在传统的腿部康复训练中,对于帮助病人训练的康复医生的体力要求较高,因而训练时间和步法的精确性都受到很大的影响。使用康复训练机器人帮助病人的腿部按照预先设置好的移动轨迹移动则能收到更好的康复训练效果。辅助功能机器人可以帮助体力较弱的人或残疾人实现某些生理功能。各种人工假肢和运动辅助机器人,如肩部关节、肘关节的运动辅助机器人可以帮助老年人正常的用意识控制手足的活动而又具有足够的力量完成各种任务。这些辅助机器人通常通过采集人体的肌电信号或者其他生理信号来判断使用者的意图,然后通过控制机器人辅助人体实现相应的生理功能。对于日益老龄化的社会而言,用机器人帮助老年人正常独立的生活是一个很好的解决办法,同时护理机器人还可以在医院中协助护士完成繁杂的护理工作。目前,商业上最成功的护理机器人是Keele大学的Handy系统。它最早被设计成一种帮助进食的设备,现在它已经能够帮助病人完成基本的个人卫生工作,比如刷牙、洗脸、简单的修饰。另一种非常成功的护理机器人是MANUS轮椅机器人。它装有8个自由度的操纵杆。在肩关节处它能垂直移动250mm,这样就能将物体从地面捡起来。但是受到技术、功能、心理、和社会经济诸多因素的影响,目前可商用化的护理机器人比较少。2.2康复机器人的研究(1)康复训练机器人方面的研究现有的康复训练机器人使用的步态参数和训练步法比较有限,通常只能模拟平地时的步法练习。通过力传感器和一些适应性的算法,康复训练机器人可以根据不同病人的行走能力调整训练时的运动轨迹,而且通过对于不同步法和步态参数的研究,实现平地,上下楼梯,地面不平等多种情况下的步法练习,对于提高病人的康复效果有很大的帮助。另有研究表明,通过改进康复训练机器人与病人相互作用的控制算法,使病人自主的控制训练时行走的方式,可以提高病人进行康复训练的积极性和主动性。在康复训练过程中,控制康复机器人在帮助病人训练时产生平滑的运动轨迹,可以提高训练效果和训练安全性。(2)功能辅助机器人方面的研究在对辅助肩部运动机器人的研究中发现,在手臂位置不同时,因为肩部的肌肉变化,即使主体希望进行相同的肩部运动,在肩部采集到的肌电信号也会有很大的不同。可以使用神经网络方法对由于手臂位置不同引起的肌电信号的变化进行补偿,实验证明了这样的补偿是有效的。(3)护理机器人方面的研究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。比如WALKY,MOVAID等机器人系统和文献中研究的ARPH机器人系统。ARPH机器人可以在家庭室内使用,它可以利用超声技术避开室内的障碍,并且具有良好的人机交互接口。3.基于教育技术的机器人的安全性设计除了手术机器人和康复护理机器人外,还有一些其他方面医疗机器人的研究。(1)超声诊断机器人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。图2是研制一个机器人超声诊断系统的框图:该系统可以实时获得并在GUI上显示超声图像,通过对超声图像的三维重建,可以显示出一个精确的检查结果。在图形用户接口中,三个方向轴上的超声图像伺服系统被结合在一起以控制机器人的运动。通过GUI医生能够方便的用鼠标来选中他所感兴趣的特征部分,并使用不同的方法进一步的识别和追踪。(2)医疗机器人安全性方面的研究医疗机器人是直接与人接触的机器人系统,所以,对这样一个系统而言,安全性是至关重要的,是系统设计时必须首要考虑的因素。传统的应用于工业机器人上的安全策略,对于医疗机器人而言往往是不够的,所以有必要建立有效的方法,使医疗机器人具有更高的安全性。如在Armstrong系统中提出的控制器软件必须具有安全性、可靠性、可维护性以及可重复使用性等要求。在以往的一些安全标准,如IEC601-1中关于医疗电器设备的安全标准的基础上,有研究提出一个旨在提高医疗机器人安全隐患识别和安全保险控制(HISIC)的系统策略,HISIC的七个原则包括定义和需求、隐患识别、安全保险控制、安全临界极限、监视和控制、有效性评价和确认、系统日志和文档。(3)微机器人研究对于微机器人的研究最典型的应用是对机器人内窥镜的研究。比如使用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。在这样的系统中,通常需要使用柔性的制动设计,比如使用空气制动的蠕动式推进机构,以及基于形状记忆合金(SMA)的转向机构。配合GUI,使用所拍摄到的图像,医生可以很容易的观察病患部位,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