第十一章復(fù)習(xí)題

1、<p><b>　　第十一章 復(fù)習(xí)題</b></p><p>　　一．.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)、計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)視覺、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，具有重要的研究價值，有著廣泛的應(yīng)用前景，是目前機(jī)器人領(lǐng)域的一個研究熱點。 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)。</p><p>　　二

2、．醫(yī)療機(jī)器人的特點：</p><p>　　除了機(jī)器人共有的特點即：能夠代替人類工作，代替人進(jìn)行簡單的重復(fù)勞動，代替人在臟亂環(huán)境和危險環(huán)境下工作，或者代替人進(jìn)行勞動強(qiáng)度極大的工種作業(yè)；擴(kuò)展人類的能力，它可以做人很難進(jìn)行的高細(xì)微精密的作業(yè)，以及超高速作業(yè)等。</p><p>　　還有:醫(yī)療機(jī)器人定位和操作精確、手術(shù)微創(chuàng)化、可靠性強(qiáng)，而且能夠突破手術(shù)禁區(qū)，進(jìn)行遠(yuǎn)程手術(shù)，從而減輕醫(yī)生的勞動強(qiáng)度，避

3、免接觸放射線或者烈性傳染病病原。 </p><p>　?、倨渥鳂I(yè)環(huán)境一般在醫(yī)院、街道、家庭及非特定的多種場合，具有移動性與導(dǎo)航、識別及規(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。</p><p>　?、卺t(yī)療機(jī)器人的作業(yè)對象是人、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.藥物及社會學(xué)等各個學(xué)科領(lǐng)域的知識開展研究課題.</p><

4、;p>　　醫(yī)療機(jī)器人的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計必須以易消毒和滅菌為前提，安全可靠且無輻射。</p><p>　　以人作為作業(yè)對象的醫(yī)療機(jī)器人，其性能必須滿足對狀況變化的適應(yīng)性、對作業(yè)的柔軟性，對危險的安全性以及對人體和精神的適應(yīng)性等。 </p><p>　?、葆t(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

5、等。</p><p>　　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)計與制造技術(shù)、傳感器應(yīng)用技術(shù)、自動控制技術(shù)、驅(qū)動器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)。</p><p>　　根據(jù)用途醫(yī)療機(jī)器人大致可以分為救援機(jī)器人、手術(shù)（外科）機(jī)器人、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人和康復(fù)機(jī)器人等。 </p><p>　　商業(yè)化的手術(shù)機(jī)器人最早出現(xiàn)在1994年，由美國Computer M

6、otion公司研制，實質(zhì)上是一種聲控腹腔鏡自動“扶鏡手”。</p><p>　　手術(shù)機(jī)器人于1997年3月在比利時布魯塞爾St Pierre醫(yī)院完成了第一例腹腔鏡手術(shù)——膽囊切除術(shù)。1998年，ComputerMotion公司研制的Zeus系統(tǒng)、Intuitive Surgical公司研制的da Vinci系統(tǒng)和endoVia公司研制的Laprotek系統(tǒng)分別獲得了成功。 2001年9月，法國醫(yī)生通過超遠(yuǎn)程控制醫(yī)

7、療機(jī)器人，在美國紐約為遠(yuǎn)在法國的病人進(jìn)行了膽囊摘除手術(shù)，實現(xiàn)了世界上首次跨洋手術(shù)……</p><p>　　機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)集計算機(jī)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)知識、手術(shù)技術(shù)等多項現(xiàn)代高科技手段于一體，具有放大10倍的清晰的三維圖像，外科醫(yī)生可以對任何細(xì)節(jié)進(jìn)行精細(xì)準(zhǔn)確的操作。</p><p>　　七、“達(dá)芬奇”系統(tǒng)機(jī)器人手術(shù)設(shè)備分主要分為幾部分？</p><

8、;p>　　設(shè)備分主要分為3 部分:</p><p>　　（1）手術(shù)醫(yī)師操作的主控臺;</p><p>　?。?）機(jī)械臂、攝像臂和手術(shù)器械組成的移動平臺；</p><p>　?。?）三維成像視頻影像平臺。</p><p>　　八 .“達(dá)芬奇”系統(tǒng)是一種視頻操縱系統(tǒng)，操作者與機(jī)器手臂間通過電路相連。醫(yī)生控制臺裝有三維視覺系統(tǒng)和動作定標(biāo)系統(tǒng)，

9、醫(yī)生手臂、手腕和手指的運(yùn)動通過傳感器在電腦中精確記錄下來，并同步翻譯給機(jī)器手臂。振動消除系統(tǒng)和動作定標(biāo)系統(tǒng)保證了機(jī)械臂在狹小的手術(shù)野內(nèi)進(jìn)行精確的操作。 </p><p>　　九、“達(dá)芬奇”系統(tǒng)工作原理及優(yōu)點：手術(shù)時需要兩名針對“達(dá)芬奇”系統(tǒng)進(jìn)行過專門訓(xùn)練的醫(yī)生，主刀醫(yī)生在控制臺控制機(jī)器手臂的運(yùn)作，另一名醫(yī)生在病人旁協(xié)助。</p><p>　　在3個機(jī)械手臂中，中間的手臂連接胸腔內(nèi)鏡，其通常

10、包括2個平行的內(nèi)鏡以建立三維視圖。手術(shù)野圖像被放大10倍后以最佳的視覺效果在監(jiān)視器上顯示出來，左右兩支機(jī)械手臂均安裝有類似手腕關(guān)節(jié)的機(jī)械腕，可以靈活的控制末端的特制的手術(shù)器械。新一代的“達(dá)芬奇 S”(da Vinci S) 系統(tǒng)在原來的基礎(chǔ)上發(fā)展出第四手臂，極大的方便手術(shù)造作中的暴露需要，并可采用廣角鏡頭，視野擴(kuò)大，更方便胸腔內(nèi)定位。</p><p>　　機(jī)器人系統(tǒng)有很多腔鏡手術(shù)不具備的的優(yōu)點，比如它具有三維的圖

11、像、機(jī)械臂有七個自由度、手術(shù)醫(yī)師能舒適的坐在較遠(yuǎn)距離外操縱機(jī)器進(jìn)行手術(shù)。機(jī)械臂增加了活動的自由度，大大的提高了手術(shù)醫(yī)師的操作能力。</p><p>　　此外，還能將控制柄的大幅度移動按照比例轉(zhuǎn)換成患者體內(nèi)的精細(xì)動作?；謴?fù)合適的眼手協(xié)調(diào)性和符合人體生態(tài)學(xué)的位置。它具有的三維視覺和深度知覺較傳統(tǒng)的腔鏡攝像系統(tǒng)有了很大的提高，不怕放射性物質(zhì)和感染性疾病。 </p><p>　　機(jī)器人系統(tǒng)使得一些

12、原先手術(shù)醫(yī)師在技術(shù)上很困難甚至幾乎不可能的一些問題變得可能。所有的這些優(yōu)點提高了圖像的分辨率，結(jié)合自由度的提高和靈活性的增強(qiáng)，將極大的提高手術(shù)醫(yī)師對分離解剖組織的鑒別能力。機(jī)械臂增加了活動的自由度，大大提高了手術(shù)醫(yī)生的操作能力，保證了高難度動作的完成并增加了手術(shù)可覆蓋范圍。</p><p>　　醫(yī)療機(jī)器人發(fā)展瓶頸和問題</p><p>　　1. 技術(shù)方面的關(guān)鍵問題</p>&

13、lt;p>　　在管理信息系統(tǒng)的初期，因為缺乏足夠的經(jīng)驗，所以需要花費(fèi)很多金錢用于積累經(jīng)驗?，F(xiàn)今，還不能證明是否對病人健康有風(fēng)險，因此必須對培訓(xùn)醫(yī)生的各種新模式進(jìn)行調(diào)查研究。</p><p>　　在我們看來，例如對外科醫(yī)生掌握新一代微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的培訓(xùn)問題將面臨下面三個步驟： </p><p>　　a) 外科手術(shù)過程的理論學(xué)習(xí)，通過采用交互式多媒體讓外科醫(yī)生在不同階段參與手術(shù)，提醒他們關(guān)

14、注最重要的細(xì)節(jié)和安全守則。</p><p>　　b) 通過在模擬設(shè)備上進(jìn)行訓(xùn)練，提高和評估醫(yī)生的基本能力，提高在遙控環(huán)境下操作者的靈巧性：手與眼的協(xié)調(diào)；立體視覺識別；動作的同步；非主手臂在復(fù)雜運(yùn)動下的性能等。</p><p>　　c) 進(jìn)行手術(shù)時，應(yīng)有醫(yī)療專家對年輕的外科醫(yī)生進(jìn)行指導(dǎo)。</p><p>　　醫(yī)療機(jī)器人和管理信息系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是，缺少解剖過程中剛性工具

15、相互作用的觸覺反饋。為了達(dá)到安全的手術(shù)導(dǎo)航及開發(fā)仿真手術(shù)模擬裝置，需要將解剖的可變形結(jié)構(gòu)與工具之間的相互作用模型化。</p><p>　　2.醫(yī)療機(jī)械及控制 </p><p>　　為了完成上述任務(wù)，需要新的機(jī)械裝置、致動器、能源、控制器、傳感器和集線器管理接口。</p><p>　　在大型外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)械系統(tǒng)的主要問題是：</p>&

16、lt;p>　　◆ 安全(輕型，關(guān)節(jié)的制動性)</p><p>　　◆ 精確(無后沖、開環(huán)、偏差)</p><p>　　◆ 清潔操作(干燥的機(jī)械設(shè)備或密封的關(guān)節(jié))</p><p>　　◆ 手術(shù)中的成像和導(dǎo)航所用的X射線和磁適應(yīng)性(不高于鐵磁材料所允許的)</p><p><b>　　這里面包括：</b></p&

17、gt;<p>　　1、由于零部件尺寸很小，所以找不到標(biāo)準(zhǔn)的部件。而且，特別是對機(jī)械工程來說 ：不能制作出令人滿意的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。柔性鉸鏈的機(jī)械活動部件 ；</p><p>　　2、需要開發(fā)輕小耐用的微電池；</p><p>　　3、傳感器：內(nèi)窺鏡視覺傳感器 、仿生感知行為的位置、接觸和力傳感器 、需要微位置、速度和加速計傳感器；小型照相機(jī) 、力和接觸傳感器、位置傳感器和視覺傳感器

18、等；</p><p>　　4、小型致動器所需的關(guān)鍵部件的伺服電動機(jī)（最小的電磁馬達(dá)直徑2mm，長15mm。 ） ； </p><p>　　5、人機(jī)交互界面 ：機(jī)器人直接完成所有手術(shù)動作，是與系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的，HMI是視覺、聽覺和觸覺界面的綜合體，顯示裝置，LCD監(jiān)視器 ；</p><p><b>　　6、 觸覺 ；</b></p&g

19、t;<p>　　7、遙感需要對高精度、可預(yù)測、重復(fù)的工作自主控制以及對其他一些人類不能被替代的工作遠(yuǎn)程控制。在自主手術(shù)中，遙感控制必須能實現(xiàn)手術(shù)現(xiàn)場的三維重現(xiàn)。</p><p>　　3.人員：存在一種學(xué)醫(yī)的不懂機(jī)械和控制以及軟件，學(xué)機(jī)械的、控制的、軟件的不懂醫(yī)學(xué)，所以需要掌握多學(xué)科、綜合型人才。 </p><p><b>　　4. 問題</b></

20、p><p>　　對現(xiàn)有系統(tǒng)，還有如下一些問題未解決：</p><p>　　◆ 實現(xiàn)機(jī)器人動作的透明化</p><p>　　◆ 機(jī)器人傳感器的最優(yōu)化，尤其是人機(jī)交互的觸覺傳感器和對于風(fēng)險和威脅的探測傳感器</p><p>　　◆ 縮短手術(shù)前和手術(shù)中的準(zhǔn)備時間</p><p><b>　　◆ 減少復(fù)雜性</b&

21、gt;</p><p><b>　　◆ 保證安全性</b></p><p>　　◆ 減少最終用戶的使用價格</p><p>　　十一、數(shù)字化家庭的醫(yī)療保健機(jī)器人可以提供如下的服務(wù)：      (1)醫(yī)療監(jiān)護(hù)      通過集成有藍(lán)牙模塊的醫(yī)療

22、傳感器對家庭成員的主要生理參數(shù)如心電、血壓、體溫、呼吸和血氧飽和度等進(jìn)行實時檢測，通過機(jī)器人的處理系統(tǒng)提供本地結(jié)果      (2)遠(yuǎn)程診斷和會診      通過機(jī)器人的視覺和聽覺等感覺功能，將采集的視頻、音頻等數(shù)據(jù)結(jié)合各項生理參數(shù)數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程醫(yī)療中心，由醫(yī)療中心的專家進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，結(jié)合醫(yī)療專家系統(tǒng)對家庭成員的健康狀況進(jìn)行會診，即提供

23、望(視頻)、聞、問(音頻)、切(各項生理參數(shù))的服務(wù) </p><p>　　十二、幾種先進(jìn)醫(yī)療機(jī)器人 </p><p>　　1.爬行攝像膠囊 ：按照設(shè)計，這個機(jī)器人可攜帶攝像機(jī)，通過有彈性的“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實驗室開發(fā)。 </p><p>　　2.游動攝

24、像膠囊 ：這款攝像膠囊由微型螺旋槳驅(qū)動，也設(shè)計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“游動”檢查醫(yī)生所懷疑的區(qū)域。</p><p>　　3.遠(yuǎn)程診斷： 醫(yī)生正通過RP-7醫(yī)療機(jī)器人向護(hù)士詢問患者病情。這款機(jī)器人與聽診器、耳鏡和超聲掃描儀相連接，還有一個相機(jī)和一個屏幕，使患者和遠(yuǎn)方的醫(yī)生都能看到對方，從而使醫(yī)生可以最大限度地像親臨現(xiàn)場一樣進(jìn)行診療。 </p><p>　　4.

25、.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感受器，使它能小心翼翼地抱起或搬動患者。從長遠(yuǎn)來看，RI-MAN機(jī)器人能取代護(hù)工去照顧老人或體弱多病者。</p><p>　　5.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)用頭和腳來控制腹腔鏡相機(jī)。這意味著他們可以騰出手來做手術(shù)。

26、</p><p>　　6.前列腺診療機(jī)器人 ：根據(jù)設(shè)計，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，無需進(jìn)一步干預(yù)，機(jī)器人即可自動將其切除。 </p><p>　　7.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)生通過自然開口將其一塊塊插入人體，接著，它們會在體

27、內(nèi)自行組裝。這樣一來，外科醫(yī)生在少切口或根本不用切口的情況下也能對患者進(jìn)行手術(shù)?；颊咭谭?5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)器人組件就會組裝成一個能夠?qū)嵤┦中g(shù)的較大工具。 </p><p>　　8.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)充器自行拉動在腸道內(nèi)移動，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)器人對腸壁施加的壓力更小，從而減輕

28、了患者的不適感。機(jī)器人的移動方式是受尺蠖毛蟲的啟發(fā)。 </p><p>　　9.采血機(jī)器人 ： 顧名思義，采血機(jī)器人Bloodbot用于采集血樣，由英國倫敦大學(xué)帝國學(xué)院的研究人員亞歷克斯·奇瓦諾維奇(Alex Zivanovic)和布賴恩·戴維斯(Brian Davies)開發(fā)。2009年12月23日，倫敦亨特里恩博物館(Hunterian Museum)將公開展出Bloodbot及