機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程論文醫(yī)療機(jī)器人最新研究與發(fā)展學(xué)生姓名 _牛茂剛_學(xué)生班級(jí) _ CK1103_學(xué)生學(xué)號(hào) _U201111278_手機(jī)號(hào)碼 華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院醫(yī)療機(jī)器人最新研究與發(fā)展摘要： 醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)極大地推動(dòng)了現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，是現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生裝備的發(fā)展方向之一。目前，對(duì)于醫(yī)療機(jī)器人的最新研究也在不斷地產(chǎn)生出新的成果 ：手術(shù)機(jī)器人具有高準(zhǔn)確性、高可靠性和高精確性，提高了手術(shù)的成功率 ；救援機(jī)器人可以經(jīng)受得住戰(zhàn)場(chǎng)和災(zāi)難等惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，安全救出傷病員 ；康復(fù)機(jī)器人具有智能化，可為傷員、病人與老年人提供康復(fù)護(hù)理和服務(wù)。隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步、社會(huì)的老齡化、現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的高技術(shù)化以及醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域還會(huì)得到更深入而廣泛的研究和應(yīng)用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展角度來(lái)看，集傷病員營(yíng)救、后送、手術(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)、康復(fù)和護(hù)理為一體的真正的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)受到廣泛的關(guān)注和重視。1 背景醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)是集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)學(xué)分析、機(jī)器人等諸多學(xué)科為一體的新型交叉研究領(lǐng)域，具有重要的研究?jī)r(jià)值，在軍用和民用上有著廣泛的應(yīng)用前景，是目前機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。醫(yī)療機(jī)器人主要用于傷病員的手術(shù)、救援、轉(zhuǎn)運(yùn)和康復(fù)，是醫(yī)療衛(wèi)生裝備信息化、智能化的重要發(fā)展方向之一。醫(yī)療機(jī)器人是目前國(guó)外機(jī)器人研究領(lǐng)域中最活躍、投資最多的方向之一，其發(fā)展前景非常看好。近年來(lái)，醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)引起美、法、德、意、日等國(guó)家學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，研究工作蓬勃興起。二十世紀(jì)九十年代起，國(guó)際先進(jìn)機(jī)器人計(jì)劃(IARP)已召開(kāi)過(guò)多屆醫(yī)療外科機(jī)器人研討會(huì)DARPA己經(jīng)立項(xiàng)，開(kāi)展基于遙控操作的外科研究，用于戰(zhàn)傷模擬手術(shù)、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)。歐盟、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心也將機(jī)器人輔助外科手術(shù)及虛擬外科手術(shù)仿真系統(tǒng)作為重點(diǎn)研究發(fā)展的項(xiàng)目之一在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)出現(xiàn)醫(yī)療外科手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)化產(chǎn)品，并在臨床上開(kāi)展了大量的病例應(yīng)用研究。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 醫(yī)用機(jī)器人在臨床中的作用越來(lái)越受到人們的重視。2 特點(diǎn)醫(yī)療機(jī)器人與其它機(jī)器人相比，醫(yī)療機(jī)器人具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：其作業(yè)環(huán)境一般在醫(yī)院、街道、家庭及非特定的多種場(chǎng)合，具有移動(dòng)性與導(dǎo)航、識(shí)別及規(guī)避能力，以及智能化的人機(jī)交互界面。在需要人工控制的情況下，還要具備遠(yuǎn)程控制能力。醫(yī)療機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象是人、人體信息及相關(guān)醫(yī)療器械，需要綜合工程、醫(yī)學(xué)、生物、藥物及社會(huì)學(xué)等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)開(kāi)展研究課題。醫(yī)療機(jī)器人的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須以易消毒和滅菌為前提，安全可靠且無(wú)輻射。以人作為作業(yè)對(duì)象的醫(yī)療機(jī)器人，其性能必須滿(mǎn)足對(duì)狀況變化的適應(yīng)性、對(duì)作業(yè)的柔軟性，對(duì)危險(xiǎn)的安全性以及對(duì)人體和精神的適應(yīng)性等。醫(yī)療機(jī)器人之間及醫(yī)療機(jī)器人和醫(yī)療器械之間具有或預(yù)留通用的對(duì)接接口，包括信息通訊接口、人機(jī)交互接口、臨床輔助器材接口以及傷病員轉(zhuǎn)運(yùn)接口等。從技術(shù)上講醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展是建立在以下幾種基本技術(shù)的基礎(chǔ)上：它們是機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、傳感器應(yīng)用技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)。目前，醫(yī)療機(jī)器人的研制主要集中在外科手術(shù)、康復(fù)和醫(yī)院服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)等幾個(gè)方面。3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來(lái)，西方許多先進(jìn)國(guó)家都進(jìn)行專(zhuān)門(mén)立項(xiàng)投資。積極開(kāi)展醫(yī)用機(jī)器人方面的研究/ 如美國(guó)國(guó)防部開(kāi)展了臨場(chǎng)感手術(shù)技術(shù)研究。用于戰(zhàn)場(chǎng)模擬手術(shù)培訓(xùn)和解剖教學(xué)，NASA已經(jīng)在美國(guó)加州與意大利米蘭之間進(jìn)行了這方面的試驗(yàn)，歐共體技術(shù)專(zhuān)家Maurice在 IEEE SPECTRUM期刊中表示，歐共體正在制定一項(xiàng)新的計(jì)劃，其中將機(jī)器人輔助外科手術(shù)及虛擬醫(yī)療技術(shù)仿真作為重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃之一。日本也制定國(guó)家計(jì)劃開(kāi)展高技術(shù)醫(yī)療器械研究發(fā)展。許多著名的國(guó)際會(huì)議，像IEEE Robotics and Automation，IEEE Eng，In Medicine and biology Society,IEEE System, Man and Cybernetics等都將醫(yī)用機(jī)器人與計(jì)算機(jī)輔助外科單獨(dú)列為一個(gè)專(zhuān)題，在歐洲、美國(guó)、日本等國(guó)多次召開(kāi)國(guó)際會(huì)議。3.1外科手術(shù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀手術(shù)機(jī)器人即內(nèi)窺鏡手術(shù)器械控制系統(tǒng)，具有自動(dòng)的、位置可控的、可編程的多功能精密機(jī)械手。在人的控制下，機(jī)械手借助計(jì)算機(jī)施行外科手術(shù)、靶點(diǎn)定位、藥物注入、損毀病灶等任務(wù)。外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)與人相比具有明顯的優(yōu)越性。蘇黎士ETH研制的磁力驅(qū)動(dòng)無(wú)線(xiàn)微型機(jī)器人是一種創(chuàng)傷很小的機(jī)器人，該機(jī)器人計(jì)劃用于玻璃體視網(wǎng)膜的微創(chuàng)手術(shù)，治療視網(wǎng)膜經(jīng)脈栓塞。Carnegie Mellon大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種名為Mieron的手持式機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以濾除術(shù)者的手震顫和多余的運(yùn)動(dòng)。加拿大Calgary大學(xué)Sutherland領(lǐng)導(dǎo)的工作小組研制了一種MRI兼容的影像引導(dǎo)的計(jì)算機(jī)輔助的機(jī)器人設(shè)備一NeuroArm，該系統(tǒng)屬于主一從控制式機(jī)器人系統(tǒng)，可用于立體定向顯微外科手術(shù)口。Kwoh等利用機(jī)械手臂PUMA200輔助神經(jīng)外科手術(shù)，不僅縮短了手術(shù)時(shí)間，也顯著提高了手術(shù)的準(zhǔn)確度。Carnegie Mellon研制的Heartlander機(jī)器人是-種新型的心外膜“爬行”機(jī)器人，可在醫(yī)生的操作先進(jìn)行心肌內(nèi)注射；該機(jī)器人的改進(jìn)型由超聲馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其操作性大為提高。Intuitive Surgical開(kāi)發(fā)的用于微創(chuàng)腔鏡手術(shù)的da Vinci系統(tǒng)是最成功的機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)最初目的是應(yīng)用于心胸外科手術(shù)。由于其優(yōu)越的功能最終廣泛應(yīng)用于臨床各科。2010年7月我國(guó)自主研發(fā)的世界首臺(tái)脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人在第三軍醫(yī)大學(xué)重慶新橋醫(yī)院誕生并投入臨床試驗(yàn)。主體機(jī)械臂形如人體手臂，能輕松到達(dá)脊柱椎體和骨骼相關(guān)部位的任何位置，根據(jù)手術(shù)需要安裝骨鉆、骨刀等手術(shù)器械，并帶有攝像頭和照明光源，實(shí)時(shí)中國(guó)現(xiàn)代普通外科進(jìn)展傳輸手術(shù)界面至控制臺(tái)。醫(yī)生在控制臺(tái)操作即可完成精確手術(shù)操作。由天津大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)和天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院聯(lián)合研制的“妙手A”(McroHand A) 是國(guó)內(nèi)首次研制成功的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人。北京航天航空大學(xué)與海軍總醫(yī)院聯(lián)合研發(fā)的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)(computer and robotic assistedsurgery，CARS)已完成第5代的研制和臨床應(yīng)用，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)順利實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作。3.2康復(fù)和護(hù)理機(jī)器人研究現(xiàn)狀康復(fù)機(jī)器人是面向殘疾人以及日益增長(zhǎng)的老年人康復(fù)需求的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)品。最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的康復(fù)機(jī)器人是由英國(guó)MikeTopping公司1987年研制的Handyl。其次另一種成功進(jìn)入市場(chǎng)的康復(fù)機(jī)器人是荷蘭Exact Dynamics公司開(kāi)發(fā)的MANUS康復(fù)機(jī)器人。早期研發(fā)的康復(fù)機(jī)器人均以單自由度為主，代表性的產(chǎn)品有美國(guó)的NUSTEP康復(fù)器、德國(guó)的THERAVital智能康復(fù)訓(xùn)練器、以色列的APT系列智能康復(fù)訓(xùn)練器、意大利的Fisiotek下肢被動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練器。上述設(shè)備運(yùn)動(dòng)模式單一，而價(jià)格也便宜，所以被醫(yī)療單位廣泛應(yīng)用。后來(lái)陸續(xù)發(fā)展了功能多、自動(dòng)化程度較高的懸掛式康復(fù)機(jī)器人。代表性的產(chǎn)品有瑞士Hocoma AG研發(fā)Lokomat，德國(guó)的LokoHelppJ、美國(guó)的Litegait和Robomedica。這類(lèi)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人一般包括步行矯正器、體重支撐系統(tǒng)(懸掛裝置)和步行臺(tái)，主要用于患者中期和后期的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練，具有較好的醫(yī)療效果。但患者軀干被束縛懸掛，上體活動(dòng)受限，舒適性差，且價(jià)格昂貴。另一類(lèi)是穿戴式康復(fù)機(jī)器人。代表性的有日本筑波大學(xué)研制的Robot Suit地址瞵J、美國(guó)Berkeley Bionics公司研制的eLEGSpJ、新西蘭Rex Bionics公司研制的REX。這類(lèi)康復(fù)機(jī)器人主要用于患者的后期康復(fù)。坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人目前最有代表性的是瑞士SWORTEC公司研發(fā)的MotionMakert，該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)下肢單關(guān)節(jié)和多關(guān)節(jié)的訓(xùn)練，并可結(jié)合功能性電刺激進(jìn)行訓(xùn)練。護(hù)理機(jī)器人一般用來(lái)輔助護(hù)士完成相關(guān)的護(hù)理工作，如病人翻身、更換床單等護(hù)理，以及食物、藥品、醫(yī)療器械、病志的傳送和投遞，與病人對(duì)話(huà)，提供數(shù)據(jù)和影像支持等工作。日本機(jī)械工程研究所開(kāi)發(fā)的 MELKONG，專(zhuān)門(mén)用來(lái)照顧那些不便走動(dòng)的病人。日本三菱公司還推出了一種在 MELKONG 基礎(chǔ)上改進(jìn)的傳輸搬運(yùn)車(chē)輛。美國(guó)運(yùn)輸研究會(huì) (Transition ResearchCorporation, TRC)研制的“HelpMate”機(jī)器人，可以 24h 在醫(yī)院里完成運(yùn)送食物和藥品的工作。對(duì)護(hù)理機(jī)器人的研究現(xiàn)在多集中在研究可移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，如WALKY, MOVAID 和 ARPH 等機(jī)器人系統(tǒng)。康復(fù)和護(hù)理機(jī)器人的發(fā)展不僅為殘疾人護(hù)理問(wèn)題的解決提供了最佳方案，而且為病人和老年人日常生活護(hù)理問(wèn)題的解決找到了出路。3.3其他方面的研究救援機(jī)器人主要擔(dān)任危險(xiǎn)條件下的救援工作，在火災(zāi)、地震和戰(zhàn)場(chǎng)等各種場(chǎng)合下能迅速且安全地將傷病員救出。2003 年，國(guó)際救援系統(tǒng)研究所在日本政府的贊助下，開(kāi)發(fā)出了第一批可以在地震廢墟上爬行、飛行和跳躍的救援機(jī)器人，用于地震后受災(zāi)人員的搜索。2004 年，還研制出大型救援機(jī)器人“T52En ryu”，可輕松地挪開(kāi)變形的汽車(chē)和倒塌的建筑物等障礙物，救出受災(zāi)人員。該機(jī)構(gòu)計(jì)劃用 15 年時(shí)間創(chuàng)造出一支機(jī)器人救援隊(duì)伍。2007 年，美國(guó) Vecna 公司研發(fā)出戰(zhàn)場(chǎng)救援機(jī)器人“VECNAs BEAR”，其身手敏捷，能夠擔(dān)負(fù)普通人無(wú)法擔(dān)負(fù)的任務(wù)，可以抱起受傷士兵送往后方安全地帶，其行走時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 50min。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人主要用于危重病患者的特殊檢查、挪動(dòng)、轉(zhuǎn)床、手術(shù)和麻醉前后的接送和戰(zhàn)場(chǎng)傷病員的后送，避免傷病員的再損傷。目前，國(guó)內(nèi)外大部分研究還主要集中在病人轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)，主要以人工操作為主，自動(dòng)化程度低。2007 年，燕山大學(xué)王洪波教授和日本 Fumio Kasagami 教授共同研制出“C-Pam”轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人，采用接觸點(diǎn)相對(duì)靜止技術(shù)，不需移動(dòng)患者身體的任何部分，患者就會(huì)被移動(dòng)到床板上，但其傳感器少，自動(dòng)化和智能化水平相對(duì)比較低。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人在保證患者無(wú)痛轉(zhuǎn)運(yùn)的前提下，還要易消毒滅菌，行走靈活，控制簡(jiǎn)單，安全可靠。隨著技術(shù)的進(jìn)步，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人正朝著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。醫(yī)療超聲檢測(cè)經(jīng)常需要醫(yī)生在一個(gè)難以實(shí)施的位置上，持續(xù)握住超聲探頭一段時(shí)間，而且有時(shí)候還需要施加比較大的力，這樣得到的超聲圖像常常會(huì)受到醫(yī)生肌肉緊張的影響。而利用機(jī)器人輔助的圖像引導(dǎo)控制診斷系統(tǒng)則可以消除這種影響。對(duì)于微機(jī)器人的研究最典型的是機(jī)器人內(nèi)窺鏡，如微機(jī)器人自動(dòng)結(jié)腸鏡可以使檢查時(shí)結(jié)腸鏡與病人的腸壁接觸面積最小，從而減輕病人的疼痛，同時(shí)，醫(yī)生可以很容易地觀察病患部位，以便控制結(jié)腸鏡的進(jìn)程。隨著微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)的發(fā)展，微型醫(yī)療機(jī)器人將會(huì)有更多的應(yīng)用領(lǐng)域，比如將微機(jī)器人用于體內(nèi)微型手術(shù)和定點(diǎn)藥物釋放等方面都具有誘人的前景。4 一些先進(jìn)的醫(yī)療機(jī)器人據(jù)新科學(xué)家雜志網(wǎng)站報(bào)導(dǎo)，機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步不斷推動(dòng)醫(yī)學(xué)技術(shù)向前發(fā)展，為未來(lái)外科手術(shù)描繪了美好藍(lán)圖。以下是9款最先進(jìn)的醫(yī)用機(jī)器人。爬行攝像膠囊：這個(gè)機(jī)器人可攜帶攝像機(jī)，通過(guò)有彈性的“腿”爬進(jìn)患者的消化道，替代傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢查。它可用來(lái)檢查食管、胃和十二指腸內(nèi)部的損傷或潰瘍情況，由意大利圣安娜高等學(xué)校的CRIM實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)。游動(dòng)攝像膠囊：這款攝像膠囊由微型螺旋槳驅(qū)動(dòng)，也設(shè)計(jì)用于檢查人體消化系統(tǒng)。在被患者從嘴里吞服下以后，它會(huì)“游動(dòng)”檢查醫(yī)生所懷疑的區(qū)域。遠(yuǎn)程診斷：這款機(jī)器人與聽(tīng)診器、耳鏡和超聲掃描儀相連接，還有一個(gè)相機(jī)和一個(gè)屏幕，使患者和遠(yuǎn)方的醫(yī)生都能看到對(duì)方，從而使醫(yī)生可以最大限度地像親臨現(xiàn)場(chǎng)一樣進(jìn)行診療。肌肉機(jī)器人：RI-MAN機(jī)器人是由日本名古屋理研生物模擬控制研究中心開(kāi)發(fā)的醫(yī)用搬運(yùn)工模型。它不僅有柔軟、安全的外型，手臂和軀體上還有觸覺(jué)感受器，使它能小心翼翼地抱起或搬動(dòng)患者。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，RI-MAN機(jī)器人能取代護(hù)工去照顧老人或體弱多病者。攝影機(jī)器人：在微創(chuàng)手術(shù)(即“鎖孔手術(shù)”)中，攝影機(jī)器人FreeHand可以讓外科醫(yī)生運(yùn)用頭和腳來(lái)控制腹腔鏡相機(jī)。這意味著他們可以騰出手來(lái)做手術(shù)。前列腺診療機(jī)器人：根據(jù)設(shè)計(jì)，Probot機(jī)器人可以讓外科醫(yī)生準(zhǔn)確地切除肥大的前列腺，將對(duì)患者造成的傷痛降至最小程度。外科醫(yī)生只需指定要切除的前列腺部分，無(wú)需進(jìn)一步干預(yù)，機(jī)器人即可自動(dòng)將其切除。吞服式機(jī)器人：患者可將一塊塊的ARES機(jī)器人(即“可重構(gòu)裝配腔內(nèi)手術(shù)系統(tǒng)”)吞入腹中，或由醫(yī)生通過(guò)自然開(kāi)口將其一塊塊插入人體，接著，它們會(huì)在體內(nèi)自行組裝。這樣一來(lái)，外科醫(yī)生在少切口或根本不用切口的情況下也能對(duì)患者進(jìn)行手術(shù)。患者要吞服15塊不同的機(jī)器人組件，后者進(jìn)入體內(nèi)受損部位。一旦到達(dá)指定位置，機(jī)器人組件就會(huì)組裝成一個(gè)能夠?qū)嵤┦中g(shù)的較大工具。結(jié)腸診療機(jī)器人：Endotics結(jié)腸診療機(jī)器人利用鉗子和擴(kuò)充器自行拉動(dòng)在腸道內(nèi)移動(dòng)，而不需要像常規(guī)結(jié)腸鏡那樣由醫(yī)生將其推入患者體內(nèi)。Endotics機(jī)器人對(duì)腸壁施加的壓力更小，從而減輕了患者的不適感。機(jī)器人的移動(dòng)方式是受尺蠖毛蟲(chóng)的啟發(fā)。采血機(jī)器人：顧名思義，采血機(jī)器人Bloodbot用于采集血樣，由英國(guó)倫敦大學(xué)帝國(guó)學(xué)院的研究人員亞歷克斯奇瓦諾維奇(Alex Zivanovic)和布賴(lài)恩戴維斯(Brian Davies)開(kāi)發(fā)。2009年12月23日，倫敦亨特里恩博物館(Hunterian Museum)將公開(kāi)展出Bloodbot及其它機(jī)器人。5 醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展展望醫(yī)療機(jī)器人將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域，極大的推動(dòng)了現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展