MRI导航的机器人辅助微创外科手术系统设计
医疗机器人中的导航定位与手术规划技术优化
医疗机器人中的导航定位与手术规划技术优化随着科技的不断进步和人工智能的快速发展，医疗机器人已经成为现代医学领域中不可或缺的一部分。
医疗机器人的应用不仅可以帮助医生在手术中提高准确性和安全性，还可以解放医生的双手，减轻其工作负担。
在医疗机器人中，导航定位和手术规划是两个至关重要的技术，通过优化这两个技术，可以进一步提高医疗机器人的效能和精确性。
导航定位是指在医疗机器人的操作过程中，通过定位系统来确定机器人的位置和姿态。
导航定位技术的优化可以帮助医疗机器人更准确地定位到患者的相关解剖结构。
目前，常见的导航定位技术包括视觉导航、声波导航和磁导航等。
视觉导航是指通过图像处理和计算机视觉技术来识别和定位目标结构，可以实现实时的、无创伤的导航定位。
声波导航是利用声波在人体组织中传播的特性，通过测量声波的传播时间和强度来确定机器人的位置。
磁导航则是利用磁场在人体内传导的特性，通过感应和测量磁场的强度和方向来确定机器人的位置。
在导航定位技术的优化中，首先需要提高定位的准确性和精度。
这可以通过改进导航系统的传感器和算法来实现。
例如，可以使用更高分辨率的摄像头和更灵敏的声波传感器来提高图像和声波的识别和定位能力。
同时，还可以借助于机器学习和深度学习等人工智能技术，对大量的导航数据进行训练和学习，从而提高导航定位的准确性和稳定性。
其次，导航定位技术的优化还需要考虑到手术环境的复杂性和多样性。
在医疗机器人的操作过程中，患者的解剖结构和情况可能各不相同，因此导航定位技术需要具备一定的适应性和智能性。
可以通过引入机器人的自主感知和决策能力，使其能够根据实际情况做出相应的调整和优化。
此外，还可以加入实时的辅助信息，例如X光、CT扫描等影像数据，以辅助导航定位的精确性和准确性。
手术规划是指在医疗机器人的操作过程中，通过计算和规划来确定手术的方式和路径。
手术规划技术的优化可以帮助医疗机器人更有效地进行手术操作，减少手术风险和并发症。
【论文】医学机器人机械系统设计与仿真
摘 要医学机器人研究已成为机器人领域研发的一个热点。
在研究了大量相关文献基础上，对用于穿刺手术的医学机器人系统进行了深入研究。
针对医学机器人用于穿刺手术的要求和临床应用，提出了一种由位置调整机构，姿态调整机构和穿刺机械手组成的医学机器人系统。
重点研究了穿刺机械手，提出摩擦盘式穿刺针推进机构，进行了运动学分析和能效分析。
对医学机器人系统应用坐标转换方法建立运动学模型，针对实际应用分析了其运动学正反解，得出在机器人各运动参数已知时，穿刺机械手在参考坐标系中的相应位置和姿态，并在此基础上进行了速度和加速度分析；在已知穿刺机械手位置和姿态时，可求出各运动参数。
利用UG建立医学机器人同构模型进行运动学仿真分析。
医学机器人的三自由度机器人平台各向进给量和被动臂各关节转角给定时，对穿刺进针机构的位置和姿态进行仿真分析，得到其位置和姿态。
对穿刺针推进机构建立运动学模型进行运动学仿真，穿刺针匀速进给，机构处于平衡状态。
关键词：医学机器人，穿刺手术，计算机仿真，运动学分析AbstractThe research of medical robot system has become a hot field of robotics’ research and development.After studying a great deal of relevant literatures on thebasis of this article for surgical puncture of the medical robot system, in-depth research on several issues has been carried out.A new medical robot system for percutaneous surgery and its clinical applicationare introduced,which including machines for position and attitude adjustment and puncture manipulator .The focused research is set on the puncture manipulator.A friction disc device for the needle insertion is introduced.Analysis of kinematic and energy efficiency are carried out.Kinematics analysis of the robot is made out with the matrix andthree-dimensional coordinate transformation. It analyses the needle insertion device inthe position and attitude when the parameters of robot is known.Further more, it analyses all the motion parameters when we know the position and attitude of the puncture manipulator.The three-dimensional design and kinematics simulation and analysis are carriedout with UG 3-D simulation software.The simulation analysis to the insertion devicein the position and attitude are carried out when the displacement of 3-DOF robotic platform and joint angle of the passive arm are give out.The kinematic model of the insertion device was established.And the simulation analysis are carried out.The needle inserts with a constant velocity,and the insertion device is in balance.Key words: medical robot, percutaneous insertion surgery，computer simulation, kinematics analysis目 录第一章 前 言 (1)1.1研究的目的和意义 (1)1.2医学机器人系统国内外发展概况 (3)1.2.1 医学机器人技术 (3)1.2.2 用于穿刺手术的医学机器人 (4)1.3设计思路和设计内容 (6)1.3.1 结构设计 (7)1.3.2 运动学分析 (7)1.3.3 运动学仿真 (7)第二章 医学机器人机械系统结构设计 (8)2.1设计思路 (8)2.2结构设计 (8)2.2.1 位置调整机构 (9)2.2.2 穿刺针姿态调整机构 (12)2.2.3 穿刺机械手 (14)2.3小结 (15)第三章 医学机器人穿刺机械手 (16)3.1机械手穿刺针推进机构原理 (16)3.1.1运动学分析 (16)3.1.2能效分析 (18)3.2穿刺机械手设计 (20)3.2.1 结构设计 (20)3.2.2 穿刺机械手设计分析 (21)第四章 医学机器人运动学分析 (24)4.1机器人运动学概述 (24)4.2机器人位置和姿态的表示 (24)4.2.1 位置描述 (25)4.2.2 方位的描述 (25)4.3医学机器人运动学正问题分析 (26)4.3.1 坐标转换的矩阵关系式 (27)4.3.2 坐标系的确立 (28)4.3.3 穿刺机械手的位置和姿态分析 (30)4.3.4 穿刺机械手速度分析 (32)4.3.5 穿刺机械手加速度分析 (35)4.4医学机器人运动学逆问题分析 (37)4.4.1 余弦矩阵性质 (38)4.4.2 坐标逆变换矩阵 (38)4.4.3 穿刺机械手运动学逆问题分析 (38)第五章 医学机器人运动学仿真 (41)5.1医学机器人三维建模 (41)5.1.1 位置调整机构建模 (42)5.1.2 穿刺针姿态调整机构建模 (43)5.1.3 穿刺机械手建模 (44)5.2医学机器人位置调整机构运动学仿真 (46)5.3医学机器人穿刺针推进机构仿真分析 (47)5.3.1 运动分析方案的创建 (47)5.3.2 仿真过程 (49)5.4穿刺针强度及稳定性仿真分析 (53)5.5结论 (59)第六章 经济分析 (60)6.1市场分析 (60)6.2研究目的 (60)6.3经济性评估 (60)第七章 结论与展望 (61)7.1结论 (61)7.2展望 (61)参 考 文 献 (62)致 谢 (63)声 明 (64)第一章 前 言1.1 研究的目的和意义随着社会的进步和生活水平的不断提高，人类对自身疾病的诊断、治疗、预防以及卫生健康给予越来越多的关注。
外科微创技术
外科微创技术在当今的医疗领域，外科微创技术已经成为一种重要的手术方法。
这种技术通过最小的创伤和最大程度的恢复，为患者提供了更好的治疗选择。
外科微创技术，也称为微创外科，是一种通过微小切口进行手术的方法。
它借助先进的成像技术和精细的手术器械，使医生能够在微观尺度上进行手术操作。
这种技术的特点在于创伤小、疼痛轻、恢复快，为患者提供了更好的术后生活质量。
普通外科：微创技术可用于胆囊切除术、阑尾切除术、疝修补术等常见手术。
心胸外科：微创技术可用于心脏手术、肺切除、食管手术等。
神经外科：微创技术可用于颅内肿瘤切除、脑血管病手术治疗等。
泌尿外科：微创技术可用于前列腺切除、肾脏手术、尿道手术等。
妇科：微创技术可用于子宫肌瘤切除、卵巢手术、输卵管手术等。
机器人辅助手术：随着技术的发展，机器人辅助手术已经成为一种趋势。
这种技术可以更精确地进行手术操作，减少医生的疲劳，提高手术效率。
3D打印技术：3D打印技术可以制造出精确的手术模型，帮助医生更好地理解病变和手术方案，提高手术成功率。
复合手术室：复合手术室集成了影像诊断、手术治疗、术后监护等多种功能，可以实现一站式医疗服务，缩短患者住院时间。
外科微创技术是一种创新的手术方法，具有创伤小、疼痛轻、恢复快的特点。
随着技术的不断发展，这种技术将在未来发挥更大的作用，为患者提供更好的医疗服务。
微创外科手术是一种通过最小化患者创伤和加快恢复速度来提高治疗效果的手术方法。
随着科技的不断发展，微创外科手术机器人技术应运而生，并在医疗领域中得到了广泛应用。
本文将介绍微创外科手术机器人技术的研究进展。
微创外科手术机器人技术从理论到实践的发展历程可以追溯到20世纪80年代。
当时，科学家们开始研究机器人辅助手术的可能性，并进行了早期的实验。
进入21世纪后，随着计算机技术、传感器技术和机械设计技术的进步，微创外科手术机器人技术得到了迅速发展。
微创外科手术机器人系统由机器人主体、控制系统和传感器等组成。
2024机器人手术系统辅助甲状腺和甲状旁腺手术临床实践指南要点(全文)
2024机器人手术系统辅助甲状腺和甲状旁腺手术临床实践指南要点（全文）摘要机器人外科是智能梢准微创外科发展的成果，应用千甲状腺外科领域，取得了良好临床效果。
我国«机器人手术系统辅助甲状腺和甲状旁腺手术专家共识(2016版）〉〉的发布对机器人辅助甲状腺和甲状旁腺手术的规范化开展与临床推广起到了重要作用。
随着临床实践的深入、微创理念的更新、机器人平台更新换代和技术不断改进，机器人甲状腺和甲状旁腺外科得到了进一步发展，尤其在适应证拓展、机器人外科医师培训和团队建设方面有了较大进步。
在2016版专家共识的基础上，结合近年发表的相关论著及临床研究，专家组撰写了«机器人手术系统辅助甲状腺和甲状旁腺手术临床实践指南(2024版）〉〉，从手术团队培养、手术适应证、术前评估、患者体位和空间建立、甲状腺腺叶切除步骤、颈部淋巴结清扫技巧等方面进行了总结推荐，并对再次手术、甲状旁腺手术及术后并发症的防治等方面提出了合理建议，以期更好地指导临床实践。
手术微创化理念始终贯穿千人类医学发展的过程中，机器人外科手术系统凭借放大的三维高清手术视野、仿真手腕功能的类关节器械、直觉式操控等智能化优势，以精准的微创操作，准确再现外科医师在控制台上的动作，开创了甲状腺智能梢准微创外科新纪元。
目前机器人辅助甲状腺手术入路包括经双侧腋窝乳晕入路(bilateral axillo-breast approach, BABA)、单侧腋窝双侧乳晕(unilateral axilla bilateral-areola, UABA)入路、经腋窝入路(trans邸illary approach, TM)、经耳后发际入路(retroauricular approach, R AA)、经口腔前庭入路(transoral robotic thyroidectomy vestibular approach, TORTVA)等。
2008年Lee等[ 1]报告了机器人辅助下的BABA甲状腺手术，2014年贺青卿教授团队首次在国内开展该手术[2]。
医疗机器人对医生的辅助作用
医疗机器人对医生的辅助作用随着科技的进步，医疗机器人正逐渐在医疗领域中发挥着重要的辅助作用。
它们能够提供精确、高效和安全的医疗服务，大大减轻了医生的工作负担，同时也改善了患者的治疗体验。
首先，医疗机器人在手术过程中发挥着不可替代的作用。
传统手术需要医生手工操作，但这可能存在技术上的局限和人为的错误。
而医疗机器人通过精确的定位和操作，能够高度准确地进行手术。
例如，Da Vinci机器人系统能够通过微创手术技术进行复杂的腹腔手术。
机器人手臂具有准确的运动控制和可扩展的移动范围，使医生能够进行高难度的手术。
这不仅提高了手术的成功率，减少了手术风险，还缩短了手术时间和患者的康复期。
此外，医疗机器人还可以在诊断过程中提供精确的辅助。
对于某些疾病或复杂情况，医生可能需要进行更加准确的诊断，而这往往需要依赖于先进的技术设备。
通过医疗机器人的辅助，医生能够获得更加准确和详细的病情数据，从而做出更加精确的诊断。
例如，MRI和CT扫描技术与机器人系统的结合，能够提供更清晰、更准确的影像图像，帮助医生更好地理解疾病的特征和发展趋势。
这种创新的诊断方式能够提高早期发现疾病的准确性，更有效地进行治疗。
除了手术和诊断，医疗机器人还能够在康复阶段提供帮助。
对于一些需要长期康复的患者，机器人辅助训练可以提供个性化的康复计划和治疗方案。
通过机器人的反馈系统，可以根据患者的实时状态和进展进行调整，提供更加有效的康复治疗。
例如，康复机器人可以帮助中风患者重新学习走路和恢复手部功能，通过引导和监控患者的动作，促使其进行正确的训练，加快康复进程。
这种个性化的康复训练不仅能够更好地满足患者的需求，提高治疗效果，还能够减轻康复医生的工作负担。
医疗机器人的出现不仅对医生和患者有益，也对医疗系统的改进产生了积极的影响。
首先，机器人可以提高医疗服务的精确性和一致性。
传统的人工检测和治疗过程可能存在主观性和不一致性，而机器人可以通过程序化和标准化操作，提供高度一致和精确的服务。
神经外科手术中的新型导航技术
神经外科手术中的新型导航技术引言：神经外科手术是治疗脑部和神经系统疾病的重要方法之一。
随着医学技术的进步，越来越多的新型导航技术被应用于神经外科手术中。
本文将介绍几种在神经外科手术中常用的新型导航技术，并分析其优势和应用前景。
一、影像引导技术1. CT/MRI引导：CT（计算机断层扫描）和MRI（磁共振成像）是快速、无创且精确的影像检查方法，在神经外科手术中发挥着重要作用。
医生可以通过CT/MRI图像来确定病变位置、大小和形态，从而制定手术方案。
同时，这些影像还可以被导入到手术室内，供医生实时观看，以确保手术精度。
2. 三维可视化：三维可视化技术结合了CT/MRI等影像数据与计算机模拟，将人体解剖结构呈现为立体图像，为神经外科手术提供了更直观、精确的信息。
医生可以根据患者独特的解剖结构制定手术路径和操作步骤，大大减少手术风险。
二、神经功能监测技术1. 脑电图（EEG）监测：脑电图监测是通过记录脑电信号来评估患者的神经功能。
在神经外科手术中，医生可以通过脑电图监测来判断患者的意识状态、脑电活动以及脑功能变化，从而调整手术策略和保护健康组织。
2. 皮质刺激/定位：皮质刺激/定位技术利用微电极直接刺激或记录患者大脑皮层上的电活动。
这种技术可以帮助医生准确确定大脑功能区域位置，避免损伤到关键神经结构。
同时，它还可以被用于定位病灶，并进行治疗评估。
三、立体定向技术立体定向技术可在显微镜下通过计算机导航系统实现高精度和安全操作。
主要应用于神经外科手术中的穿颅长针穿刺、吸引硬膜下血肿和深部脑结构植入物等操作。
立体定向技术结合了电磁定位、光学测距和显微镜图像分析等方法，不仅提高了手术精度，还减少了患者的创伤。
四、生物标记技术生物标记技术通过使用特定的荧光标记剂或放射性同位素来帮助医生精确定位病灶位置。
例如，荧光染料可以注射到血管内，以提高在神经外科手术中对血管分布的认识；放射性同位素可用于标记肿瘤细胞或其他特定组织，以帮助医生在手术中更好地辨别健康组织和肿瘤组织。
THMRI介入治疗机器人系统的研究及其临床应用
医生在手术中快速装卸穿刺针而不对患者产生影 响。 （’）机器人本体和磁定位发射器一起固定于一 个可升降的基座小车上， 小车具有升降固定功能， 术 前通过步进电机将机器人升起并固定， 可防止术中 外力引起机器人基座移动而影响运动精度或导致误 操作。 !)# 机器人主动定位方式 手术前， 调整基座到合适的高度并锁定基座小 车。手术过程中， 医生通过标准探针选取皮上穿刺 点， 图像导航子系统自动计算目标病灶靶点， 然后将 二者从磁定位器发射器坐标系映射到机器人基座坐 标系中， 获得穿刺目标位姿。随后机器人主动定位 至目标 姿 态 并 将 末 端 位 置 定 位 至 皮 上 穿 刺 点， 如 图 ’所示。主动定位过程中系统实时计算并显示机 器人末端和穿刺目标的空间相对位置关系。机器人 到达目标位姿后锁定各关节， 此后医生根据计算出 的进针深度实施穿刺， 穿刺时由机器人扶持穿刺针， 降低医生的负担。穿刺完成后， 机器人切换至被动 模式， 通过快换机构脱离穿刺针， 实施后续治疗。
高技术通讯
#++B 年 "# 月 第 "B 卷 第 "# 期 位器误差等因素决定， 文献 ［2， 对此进行了具体 "+］ 分析； （$）磁定位器发射器与机器人基座之间的坐 （"） 标映射误差 & 3； （%）机器人本体定位误差 & 4。最终 定位误差是各误差源的矢量叠加： （$） & ’ &0 ! &1 ! &3 ! &4 其中，& 3 ! & 4 组成了机器人子系统的定位误差。机 器人本体定位误差由设计、 制造、 装配工艺等决定， 通过本体标定技术补偿。采用 56/5740 89:69630 #;+ 测量臂对机器人本体定位误差进行测定及补偿后， （ +;+’ A <=>?@8 介入机器人本 体 重 复 定 位 误 差 为 绝对定位误差为 （+;’B A +;$%） +;+$） //， //。 "(! 坐标系统标定 坐标系统标定的目的是通过标定实验来建立磁 定位器发射器坐标系与机器人基础坐标系之间的映 射关系， 从而将机器人子系统与图像导航子系统结 合为整体系统。 设磁定位器发射器坐标系中的坐标点集为 *+ 机器人基础坐标系中的坐标点集为 ,+ " , ， !， !$ ", 假设点集 *+ 和点集 ,+ 之间的转换关系为刚体变
外科手术助手设备工作流程
外科手术助手设备工作流程外科手术助手设备，作为现代医疗技术的重要应用之一，为外科手术提供了卓越的辅助功能。
它使用先进的机器人技术和计算机系统，能够对手术进行精确控制和准确执行。
本文将详细介绍外科手术助手设备的工作流程。
一、手术准备阶段在手术准备阶段，医生和助手会检查和确认所有手术设备的功能和完整性。
同时，他们会对患者进行全面的预手术评估，包括病史记录、体格检查及必要的实验室检查。
此外，还需要进行影像学检查（如CT扫描、MRI等），以获取更详细的解剖结构和病变信息。
二、手术规划阶段手术规划是外科手术的关键环节之一。
医生会根据患者的病情和影像学检查结果，制定详细的手术方案。
在此过程中，外科手术助手设备起到重要作用。
它可以通过先进的图像处理和三维重建技术，生成患者的虚拟解剖模型。
医生可以在模型上进行手术模拟和操作规划，进一步提升手术的精确性和安全性。
三、手术操作阶段在手术操作阶段，医生会进行实际的手术操作。
外科手术助手设备通过远程控制方式，由医生进行操纵。
这些设备通常由多个关节和运动系统组成，可以对手术器械进行高度灵活和精确的控制。
医生通过图像导航系统，可以实时观察手术区域，定位和操作手术器械。
四、手术结束阶段手术结束后，医生会对手术区域进行仔细检查，确保手术目标的达成。
外科手术助手设备则会进入清洗和消毒的程序，以确保设备的卫生和安全。
医生会与助手和团队成员进行沟通和交流，总结手术过程，分享经验和教训。
总结：外科手术助手设备在外科手术中的作用不可忽视。
它通过先进的技术手段，实现了手术操作的精确性和安全性的提升。
外科手术助手设备的工作流程包括手术准备、手术规划、手术操作和手术结束。
医生通过远程操作和图像导航系统，对手术器械进行精确控制。
在未来，外科手术助手设备将进一步发展和完善，带来更多的技术创新和医疗进步。
神经外科手术的创新技术迈向精密化手术
高难度与高风险的挑战
神经外科手术涉及大脑、脊髓等关键部位，手术操作复杂，对医生的手术技巧和经验要求极高 ，同时手术风险也相对较高。
创新技术的意义与价值
提高手术精度与安全性
创新技术如神经导航、术中影像等可以辅助医生进行更精 确的手术定位和操作，减少手术误差，提高手术安全性。
神经外科手术的创新 技术迈向精密化手术
2024-01-15
目录
• 引言 • 神经外科手术现状及挑战 • 创新技术一：机器人辅助手术 • 创新技术二：影像导航技术 • 创新技术三：微创手术技术 • 创新技术四：人工智能辅助诊断与
治疗 • 结论与展望
01
引言
神经外科手术的重要性
神经系统疾病治疗的关键手段
05
创新技术三：微创手术技术
微创手术技术原理及优势
原理
微创手术技术是一种通过微小切口和 先进手术器械进行手术的方法，旨在 减少手术创伤、加速患者康复。
优势
相比传统手术，微创手术具有创伤小 、出血少、恢复快、并发症少等优点 。
在神经外科手术中的应用
01
颅内血肿清除
通过微创手术技术，可以精确清 除颅内血肿，降低颅内压，减少 脑组织损伤。
深度学习模型
利用深度学习技术，可以构建复杂的神经网络模型，对医 学影像进行自动分析和解读，提高诊断的准确性和效率。
个性化治疗建议
基于患者的历史数据、基因信息等多维度数据，人工智能 可以为每位患者提供个性化的治疗建议，提高治疗效果。
人工智能技术的挑战与前景
• 数据质量和标注问题：人工智能技术的准确性和可靠性高度依赖于数据的质量 和标注的准确性。在神经外科领域，由于数据的复杂性和多样性，获取高质量 标注数据是一个巨大的挑战。
机器人辅助手术的使用教程与手术效果评估
机器人辅助手术的使用教程与手术效果评估近年来，机器人辅助手术在医疗领域得到了广泛的应用。
机器人辅助手术通过引入机器人系统来帮助医生进行手术操作，具有高精度、高稳定性和远程操作等优势。
本文将为大家介绍机器人辅助手术的使用教程，并对其手术效果进行评估。
一、机器人辅助手术的使用教程1. 系统准备在进行机器人辅助手术之前，首先需要对手术室进行系统准备。
确保机器人系统设备和手术器械的放置合理，并将机器人臂固定在手术台上。
同时，还需要准备好必要的消毒材料和缝合材料等。
2. 确定手术方案根据患者的具体情况和手术要求，医生需要制定合适的手术方案。
机器人辅助手术可以用于多种手术，例如消化道手术、泌尿系统手术和妇科手术等。
根据患者的病情和手术方式，选择最适合的机器人辅助手术。
3. 患者准备在手术前，医生需要对患者进行必要的准备工作。
包括患者的体检、CT或MRI等影像学检查，以及相关的实验室检查等。
这些检查结果可以帮助医生更好地了解患者的情况，从而制定更合理的手术方案。
4. 机器人操作机器人辅助手术需要医生进行远程操纵，因此首先需要进行机器人操作的培训。
医生需要熟悉机器人手臂的操作和控制面板的使用。
在手术中，将机器人手臂插入到患者体内，并通过控制面板上的手柄进行远程操纵。
医生需要具备良好的手眼协调能力和精细操作技巧，以确保手术的安全和准确性。
5. 手术结束和后续处理手术结束后，需要对患者进行相关的后续处理。
包括缝合伤口、提供相关药物治疗、观察患者的康复情况等。
同时，还需要对机器人系统进行清洁和消毒，以保证下一次手术的安全性。
二、手术效果评估机器人辅助手术在手术效果上具有一定的优势。
以下是对机器人辅助手术手术效果的评估指标：1. 准确性和精度机器人辅助手术通过高精度的机器人臂进行远程操纵，能够提供更准确的手术操作。
相比传统手术，减少了手术误差的发生，提高了手术的精度。
2. 外科切口机器人辅助手术通常采用微创技术，使得手术切口更小，减少了创伤和出血。
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。
尽管目前在国外有很多机构都在研究用 !" 导 航 的 但还没有一个系统能够像 012/ 系统或 !*/ 机器人系统，
3456’78’ 系统那样广泛应用于临床。
目前国内的北京航空航天大学、 清华大学和海军总医 院 开 发 了 利 用 9: 图 像 导 航 的 机 器 人 辅 助 微 损 伤 神 经 外 科手术系统， 已成功地实施了几百例神经外科手术； 南开 大学等单位研制的微操作机器人系统已经成功地进行了 生物活体细胞实验研究； 哈尔滨工业大学研制出了利用 ; 光图像进行手术导航的遥操作辅助医疗正骨机器人系统。 但目前利用 !"* 导航的 !*/ 机器人系统的研究在国内还 处于起步阶段。
机器人技术 机械工程师
邵 兵， 孙立宁， 杜志江， 富历新
!""#$%
!"# 导航的机器人辅助微创外科手术系统设计
（ 哈尔滨工业大学 机器人研究所， 黑龙江 哈尔滨 !"###!） 摘 （ ./0）是近年来才应用于微创外科 要： 机器人辅助微创外科手术在当前医疗外科领域中发展迅速 ,- 磁共振成像 手术的成像技术， 良好的物理特性和无电离辐射等优势使其处于介入放射学领域的前沿。 文中介绍了由磁共振成像导 航的机器人辅助微创外科手术系统的国内外研究现状， 对系统涉及的术中磁共振成像扫描机系统设计、 与磁共振相容 的机器人系统设计、 手术器械的主动和被动示踪和术中影像导航等技术进行了分析， 并指出了今后的研究方向。 关键词： 微创外科手术；机器人；磁共振成像 中图分类号： $%&’&()* +,!& 文献标识码： 文章编号： （ &##’） !##&.&))) #".##!&.#’
!!!!!!!!!!!!!!!! 基金项目： 国家 !"# 计划资助项目 $%&&%’’(%&)&&*) +
!&
机械工程师
和一个步进线性编码器。 机器人的全部部件都由顺磁性材 料制成， 刚性手臂、 垂直轴的框架结构和机器人与 !" 扫 描机的连接件都由钛合金制成， 水平轴的框架由聚碳酸酯 树脂制成， 轴关节由塑料制成， 所有的螺钉都是由钛合金 或黄铜制成。全部信号采集后通过光缆传输
%］
。
随着 .01 技术在临床医学上应用越来越多， 对精确的 图像导航方法的要求也不断提高。在介入放射学中， @射 线透 视 、 超 声 和 AB 是 定 位 目 标 、 导引工具和监控手术进 程的传统方法， 与其相比， 磁共振成像术 （ ./0）具有更大 的优势。
./0 是 %& 世纪 !& 年代才应用于临床的影像诊断新
［ 照指令动作
+］
。
东京大学研制了一种与 !" 相容的 , 自由度 外 科 手 所以 术操纵机器人。因为 !"* 扫描机有空间位置的限制， 机构设计时手术器械应可以从水平方向插入腹腔或从垂 直方向进入肝脏。在此系统， 钳子可以弯曲 -.! 并且可以 绕 轴 向 旋 转 -.! ， 它的弯曲动作用连杆机构实现， 旋转动 作用凸轮机构实现
! "#$ 导航机器人辅助微创外科手术系统关键技术分析 !"# 术中磁共振成像扫描机系统设计
［ #］
ห้องสมุดไป่ตู้
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机器人系统设计 针对特殊的 !"* 环境，需要设计与之相容的 !*/ 机 器人系统。设计此类系统可参考如下几条原则： 机器人机构需由顺磁性材料制造。 （ <） 使用顺磁性材料制造机器人，机器人可与 !" 相容， 而且机器人也不会受到 !"* 图像不会有干扰噪声或失真， 电磁干涉的影响而失去控制。一般来说， 钛合金、 陶瓷、 工 铝合金和非磁性不锈钢等材料可分 程塑料、 铂 B 铜合金、 别用来制造机器人的各个不同部件。 但有些通常认为是顺 磁性的物质， 也可能引起 !" 图像的明显失真， 故也不能 使用。理想的 !" 相容性材料应具有完全匹配的磁化率， 并且电导率为零。这些标准倾向于不使用金属器械， 而用 塑料或陶瓷制成的器械。然而， 在实际应用中还有很多其 他问题， 如材料的强度、 可靠性、 组织生物学相容性、 可消 毒性以及具有切割能力等。因此， 在设计机器人机构时应 全面考虑这些问题。 使用超声马达驱动机器人机构。 （ =） 超声马达适用于 !"* 的强磁场工作环境，它突破了 传统电磁马达的概念， 它没有磁场， 不依靠电磁相互作用 来转换能量， 而是利用压电陶瓷逆效应和超声振动， 将材 料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子 或滑块的宏观运动。超声马达与传统的电磁马达相比， 它 具有重量轻、 惯性小、 响应快、 控制特性好、 不受磁场影响、 其本身亦不产生磁场、 运动准确等特点， 保证了控制医疗 机器人实施精确手术的指标要求。当然， 也有系统将传统 马达放置在离磁场较远的位置以减小磁场的影响， 这种方 法的问题是两个磁场的相互干扰尽管会降低，但仍然存 在；而且对于动力传动机构的设计要求就会明显提高， 如 何减小振动及提高传动效率等问题需要着重考虑。 机器人机构应有较轻的重量， 占据较小的工作空 （ >） 间， 有足够的自由度， 操作灵活。 在对医生的手术过程进行深入分析之后， 我们可以将 整个手术过程分解为一系列的操作， 然后又可进一步将之 位移量 细化为一系列的单步动作 C 确定 各 种 动 作 的 速 度 、 等， 并建立相应的数学模型， 为机器人的设计与控制提供 必要的设计依据和参数。 因为需要机器人操纵的器械相对 来说非常轻便， 比如手术钳、 穿刺针和内镜等， 而且采用超 声马达驱动， 所以机器人的各个关节机构不能太重， 在满 足要求的前提下应使重量最轻。其次， 不论是水平开放式 扫描机还是垂直开放式扫描机， 留给手术操作者的空间都 很狭小， 在保证医生足够工作空间的前提下， 要求辅助手 术的机器人只能在较小的工作空间内工作。例如， 东京大 学研制的 , 自由度外科手术操纵机器人的结构是 -. DD" 即可满足要求。 再次， 利用机器人实施手 <E. DD"EF. DD， 术， 要求机器人能模仿人手臂和手的各种动作， 甚至有时 需要从医生不易实现的位置操纵手术器械进入病人体内， 所以要求机器人机构要有足够的自由度。 安全可靠， 易于消毒。 （ E） 安全对于手术来说是最重要的。首先， 在设计机器人 系统的硬件和软件时都要设置保护措施， 以保证在特殊情
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$%&’( 等 人 研 制 了 一 种 用 于 心 脏 病 诊 断 和 治 疗 的 与
系统应用单柱 ) 形 !" 相容的外科手术操纵机器人系统， 水平开放式 !"* 扫描机。系统集成了来自光学内窥镜、 开 放式 !"* 和超声扫描机的图像信息。在手术时， 集成后的 图像信息定时更新， 更新周期从几十毫秒到十几秒， 图像 信息帮助和指引外科医生作出正确决定。 系统采用主从控 制方式， 操作命令通过主方设备输入， 从动机器人立刻按
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［ 经外科、 胸外科、 脑外科、 泌尿外科和活组织检查等
)］
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传统的 .01 在发展过程中也发现了一些问题， 如由医 生在手术台前操纵器械进行手术，一是医生受到了 @ 光 等放射线的辐射， 在放射性药物注入过程中对医生也要造 成伤害； 二是由于 .01 技巧性高， 只能由有丰富经验的医 生才能操作， 不易被一般医生所掌握， 限制了这项技术的 广泛应用； 三是医生一天可能要做几例手术， 有时持续时 间很长， 由于疲劳和人手操作不稳定等因素会影响手术质 量。 机器人辅助 .01 技术在一定程度上解决了上述问题， 机器人操纵手术器械的优点很多， 如可以按照医疗图像精 确定位， 可以没有颤动地执行持续动作， 可以工作在对医 生不利的环境， 可以快速、 准确地通过复杂的轨迹重新定