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1、第22卷第1期黑龙江大学自然科学学报Vol122No112005年2月JOURNALOFNATURALSCIENCEOFHEILONGJIANGUNIVERSITYFebruary,2005机器人辅助微创外科手术系统的研究现状及关键技术分析邵兵,孙立宁,杜志江(哈尔滨工业大学机器人研究所,黑龙江哈尔滨150001)摘要:机器人辅助微创外科手术技术是近年来医疗机器人领域的研究热点之一,阐述机器人辅助微创外科手术技术在国内外的研究现状,在分析微创外科手术过程后,提出微创外科手术机器人系统的设计方案,并就机器人
2、系统安全与故障诊断、主从遥控、虚拟现实和图像导航等关键技术进行深入分析。关键词:微创外科手术;机器人;主从遥控;虚拟现实;图像导航中图分类号:TP242文献标识码:A文章编号:1001-7011(2005)01-0056-05微创外科手术(MIS)技术兴起于20世纪80年代,一般也称为介入式手术。手术医生在腔外操纵插入腔内的手术器械,直视监视屏幕进行手术操作。与普通打开式手术(OPENSURGERY)相比,MIS对健康组织有很小的创伤,能减少病人的痛苦、减小伤口感染的风险、缩短伤口愈合和住院时间、减小疤痕
3、,节省开支。MIS已被应用到多种外科手术中,如腹腔镜外科、神经外科、胸外科、整形外科、妇产科、脑外科、泌尿外科、骨[1]科、耳鼻喉科手术等。传统的MIS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,一方面医生受到了X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;一方面由于MIS技巧性高,过去只能由有丰富经验的医生才能进行,不易被一般医生所掌握,限制了这项技术的广泛应用;另一方面医生一天可能要做几例手术,有时持续时间很长,这时由于疲劳和人手操作不稳定等因素会影响手术质量。机
4、器人辅助MIS技术在一定程度上解决了这些问题,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[2]的轨迹重新定位或到达多个目标等。1国内外研究现状医疗外科机器人系统的研究和开发引起了西方许多发达国家如美国、意大利、日本等国政府和学术界的极大关注,并投入了大量的人力和财力。早在20世纪80年代,西方七国首脑会议就确定了国际先进机器人研究计划(IARP),至今已召开过多届成员国医疗外科机器人研讨会。美国国防部已经立项,
5、开展基于遥控操作的外科研究,用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。法国国家科学研究中心开展了医疗外科仿真手术、规划和导引系统的研究工作。欧共体也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一。以医疗外科机器人系统的研究为基础发展起来的医疗电子设备的产值在过去几年以每年10%的速度增长,大于工业方面的增长速度。人们预计,医用机器人在今后五年内还会以每年20%～40%的速度增长。各国政府不仅希望医疗外科机器人系统的研究能为疾病的治疗带来方便,产生良好的社会效益,更希望医疗外科机器人的系统
6、研究能生成一个新的经济增长点,获得良好的经济效益。收稿日期:2004-01-10基金项目:国家863计划资助项目(2002AA420100-1);黑龙江省自然科学基金重点项目(ZJG-02)作者简介:邵兵(1976-),男,讲师,博士研究生,主要研究方向:医疗机器人技术,微驱动机器人技术通讯作者:孙立宁(1964-),男,教授,博士,博士生导师第1期邵兵等:机器人辅助微创外科手术系统的研究现状及关键技术分析·57·在学术界,辅助MIS机器人技术是近十年来的研究热点,发达国家一流大学和研究机构纷纷建立研究中
7、心和专门实验室开展手术机器人的理论和应用研究。美国开发了“SteadyHand”系统,用于眼科显微外科学的手持主动式装置,提高手术操作的精度,消除医生操作颤抖对手术的影响。JHU、MIT、CMU的研究人员合作建立了工程研究中心,致力于新型计算方法、界面技术和计算机集成手术系统的研究。英国Imperial大学研究前列腺和膝关节手术机器人,法国TIMC-IMAG研究小组开发了心脏穿刺机器人系统东京大学研制了腹腔镜手术中主从机器人系统以及脑外科活检机器人,KBShimoga等研制了用于微创神经外科手术的带触觉反
8、馈的机器人系统。TheJohnsHopkins大学的研究人员已经开发了用于肾脏手术、脊椎手术和提取活体组织的经皮介入手术机器人系统。该系统的主要部件包括可被X射线穿透的针驱动器PAKY(Percutane2[3-4]ousAccessoftheKidney)和支撑、调整PAKY方向的2-DOF的RCM(RemoteCenterofMotion)机器人。得到重大突破且已形成产品的应首推位于美国的ComputerMotion公司和
