医疗机器人课件课件

1 山东大学创新教育通识核心课程人工智能与机器人山东大学 ArtificialIntelligenceandRobotics 2 第十一章医疗机器人 ArtificialIntelligenceandRobotics 3 11 1什么是医疗机器人11 2医疗机器人技术的发展11 3几种医疗机器人的介绍 第十一章医疗机器人 ArtificialIntelligenceandRobotics 2020 2 24 3 4 11 1什么是医疗机器人11 2医疗机器人技术的发展11 3几种医疗机器人的介绍 第十一章医疗机器人 ArtificialIntelligenceandRobotics 2020 2 24 4 5 11 1 1概念你能想象由机器人操刀做手术将是怎样一种情形吗 你能想象一个机器人医生通过千里之外的遥控来实施 医术 又是怎样一种状况吗 这不是天方夜谭 更不是痴人说梦 11 1医疗机器人的定义及特点 6 说起医疗机器人 早已不是新鲜的概念 随着机器人的发展 医疗机器人也应运而生 1998年5月 德 法两国的医生共同合作 用遥控机器人系统成功地为一位心脏病人进行了瓣膜修复手术 2001年9月 法国医生通过超远程控制医疗机器人 在美国纽约为远在法国的病人进行了胆囊摘除手术 实现了世界上首次跨洋手术 多起成功案例让人们逐渐接受了这个特殊的 妙手神医 11 1医疗机器人的定义及特点 7 那么医疗机器人 是近十几年来发展比较迅速的一个新的应用领域 那么这个也可以看到几个方面 包括人是一个非常珍贵的生物 那么包括人的眼球 神经 血管都很精细 那么如果人手术的时候 医生来手术 一个是疲劳 另一个人手操作的精度还是有限的 11 1医疗机器人的定义及特点 10 概念 医疗机器人是多学科研究的和发展的成果 是医学领域被应用在诊断 治疗 手术 康复 护理和功能辅助恢复等多学科领域的机器人 它具有其他机器人的一般特性和医用领域的特殊特性 医疗机器人主要用于伤病员的手术 救援 转运和康复 11 1医疗机器人的定义及特点 11 11 1 2医疗机器人的特点近几年来 医疗机器人与计算机辅助医疗外科技术已经在多学科交叉领域中兴起 并成为越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题之一 11 1医疗机器人的定义及特点 12 机器人在应用上有两个突出的特点 一是它能够代替人类工作 代替人进行简单的重复劳动 代替人在脏乱环境和危险环境下工作 或者代替人进行劳动强度极大的工种作业 二是扩展人类的能力 它可以做人很难进行的高细微精密的作业 以及超高速作业等 11 1医疗机器人的定义及特点 13 医疗机器人正是运用了机器人的这两个特点 而医疗机器人的对象是人 医疗机器人要直接接触病人的身体 所以除具备机器人的两个基本的特点同时 还有其自身的选位准确 动作精细 避免病人感染等特点 譬如 在血管缝合手术时 人工很难进行细于1毫米以下的血管缝合 如果使用医疗机器人 血管缝合手术可以达到小于0 1毫米的精度 用医疗机器人进行手术避免了医生直接接触患者的血液 大大减少了患者的感染危险 11 1医疗机器人的定义及特点 14 与其它机器人相比 医疗机器人还有以下几个特点 作业环境一般在医院 街道社区 家庭及非特定的多种场合 作业对象是人 人体信息及相关医疗器械 11 1医疗机器人的定义及特点 15 材料选择和结构设计必须以易消毒和灭菌为前提 安全可靠且无辐射 性能必须满足对 人 状况变化的适应性 对作业的柔软性 对危险的安全性以及对人体和精神的适应性等 11 1医疗机器人的定义及特点 16 医疗机器人之间及医疗机器人和医疗器械之间具有或预留通用的对接接口 包括信息通讯接口 人机交互接口 临床辅助器材接口以及伤病员转运接口等 11 1医疗机器人的定义及特点 17 11 1 3医疗机器人的应用优点1 手术机器人具有高准确性 高可靠性和高精确性 提高了手术的成功率 目前 手术机器人不仅完成了普外科 还有脑神经外科 心脏修复 胆囊摘除 人工关节置换 泌尿科和整形外科等方面的手术 2 医疗机器人定位和操作精确 手术微创化 可靠性强 而且能够突破手术禁区 进行远程手术 从而减轻医生的劳动强度 避免接触放射线或者烈性传染病病原 11 1医疗机器人的定义及特点 18 3 它是在计算机层面扫描图像或核磁共振图像基础上构成的三维医疗模型 用于医疗外科手术规划和虚拟操作 以期最终实现多传感器机器人的辅助手术定位和操作 4 医用机器人和计算机辅助定位导航系统 可以满足胫骨骨折闭合复位带锁髓内钉内固定在临床应用中骨折复位和远端锁钉置入 减少了术中X射线透视时间 远程遥控操作可靠方便 系统结构简单 易于掌握 11 1医疗机器人的定义及特点 19 11 1 4医疗机器人分类 手术机器人康复机器人护理机器人救援机器人转运机器人 11 1医疗机器人的定义及特点 20 1 手术机器人 概念 手术机器人是一组器械的组合装置 它通常由一个内窥镜 探头 刀剪等手术器械 微型摄像头和操纵杆等器件组装而成 目前使用中的手术机器人的工作原理是通过无线操作进行的外科手术 即医生坐在电脑显示屏前 通过显示屏和内窥镜仔细观察病人体内的病灶情况 然后通过机器人手中的手术刀将病灶精确切除 或修复 11 1医疗机器人的定义及特点 21 特点 自身定位准确 动作精细 避免病人感染 有效防止医生手术时的手动引起的抖动带来的危险 减少手术疲劳 提高安全性 易实现远程治疗和会诊 11 1医疗机器人的定义及特点 22 2 康复机器人概念 康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支 康复医学 生物力学 机械学 机械力学 电子学 材料学 计算机科学以及机器人学等诸多领域 已经成为了国际机器人领域的一个研究热点 康复的含义是在受创伤或得病后恢复患者肢体或器官的正常的形状或功能 康复工程就是致力于为患者提供此类辅助装置 把先进的机器人技术引入到康复工程中的康复机器人 体现了康复医学和机器人技术的完美结合 11 1医疗机器人的定义及特点 23 康复机器人分为 辅助性和治疗性两种 辅助型康复机器人是帮助病人 老人 残疾人更好的的适应日常生活和工作 部分补偿其弱化的功能 治疗型康复机器人恢复病人 老人 残疾人的部分机能 更好的的适应日常生活和工作 康复工程就是致力于为患者提供此类辅助装置 把先进的机器人技术引入到康复工程中的康复机器人 体现了康复医学和机器人技术的完美结合 目前 康复机器人已经广泛地应用到康复护理 假肢和康复治疗等方面 这不仅促进了康复医学的发展 也带动了相关领域的新技术和新理论的发展 康复机器人主要有智能轮椅 康复机械手等 11 1医疗机器人的定义及特点 24 3 护理机器人概念 护理机器人具有视觉 听觉 嗅觉等能力 是辅助护士完成护理工作 如帮助病人翻身 更换床单 以及递送食物 药物 人机对话 病房巡视等 或能背起 或抱起 老人 能照顾老年人 病人或残疾人 功能将更加全面和智能 服务也更人性化 11 1医疗机器人的定义及特点 25 救护机器人 11 1医疗机器人的定义及特点 26 11 1什么是医疗机器人11 2医疗机器人技术的发展11 3各类医疗机器人的介绍 第十一章医疗机器人 ArtificialIntelligenceandRobotics 2020 2 24 26 27 11 2 1医疗机器人技术的发展早在1972年就有人提出开发医疗用遥控机器人的设想 但在当时人们普遍认为这是个相对遥远的问题 然而 随着原子能领域 宇宙开发领域的遥控机器人技术的发展以及虚拟现实技术的出现 医疗领域也出现了开发医用机器人的热潮 可以说 目前医疗领域的机器人技术是最发达的领域之一 11 2医疗机器人技术的发展 28 商业化的手术机器人最早出现在1994年 由美国ComputerMotion公司研制 实质上是一种声控腹腔镜自动 扶镜手 能进行微创手术的 扶镜手 系统是第一个获得FDA许可的产品 允许临床使用 它的速度控制直到现在仍然是最直观的操作概念 医疗机器人的概念是从1996年确立的 早期大多数流行的医疗机器人都是美国研究生产的 11 2医疗机器人技术的发展 29 手术机器人于1997年3月在比利时布鲁塞尔StPierre医院完成了第一例腹腔镜手术 胆囊切除术 1998年 美国ComputerMotion公司研制的Zeus系统 IntuitiveSurgical公司研制的daVinci系统和endoVia公司研制的Laprotek系统分别获得了成功 这三个系统均由三大部分组成 医生操纵台 机械手和内镜装置 11 2医疗机器人技术的发展 30 1998年5月 德 法两国的医生共同合作 用遥控机器人系统成功地为一位心脏病人进行了瓣膜修复手术 2001年9月 法国医生通过超远程控制医疗机器人 在美国纽约为远在法国的病人进行了胆囊摘除手术 实现了世界上首次跨洋手术 多起成功案例让人们逐渐接受了这个特殊的 妙手神医 11 2医疗机器人技术的发展 31 1997年 外科手术机器人 宙斯 被用于一起输卵管重建手术 2001年9月7日 历史上第一次跨洋远程控制外科手术在大西洋两岸同时进行 2003年 宙斯 的公司ComputerMotion和 达芬奇 的公司IntuitiveSurgical宣告合并 达芬奇也成为了目前市场上唯一的得到美国食品药品监督管理局 FDA 认证的外科手术机器人产品 如今 全球有超过850所医院都在使用着这款手术机器人 11 2医疗机器人技术的发展 32 加拿大卫生部门2011年4月宣称 将在国内推广一种实施神经外科手术的机器人 这种医学机器人有特别敏感的触觉 可以让医生通过最清晰的视觉来完成大脑的显微手术 其精确度可以达到一根头发丝的程度 甚至连最小的神经也有清晰的三维图像 去年4月 该机器人在卡尔加里市的山麓医院首次使用获得成功 11 2医疗机器人技术的发展 33 2010年5月10日 英国伦敦皇家医学会宣称 英国将开始普及医学机器人护士 此举既可缓解国内护士的不足 又可大大提高护理效率和安全性 而且显著扩大护理功能 此前在伦敦展出了这款 机器人护士 其头部安装有多台激光和热成像摄像机 在声音识别技术的辅助下 它可以适时地与病人进行互动式交流 并且将那些未经允许的来访者阻挡在外 机器人护士 的 胸部 是一块控制面板 一些复杂的操作指令可以在这里编程输入 它的 腹部 安装有一个红外线感应器 可以随时监测病人的体温 11 2医疗机器人技术的发展 34 11 2 2国际医疗机构的发展趋势和特点医疗机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃 投资最多的方向之一 其发展前景非常看好近年来 医疗机器人技术引起美 法 德 意 日等国家学术界的极大关注 研究工作蓬勃兴起 11 2医疗机器人技术的发展 35 医疗机器人领域的研究组织有 美国巴尔的摩约翰一霍普金斯大学的研究小组 英国伦敦的皇家学院研究小组 意大利比萨圣安娜高等学院 Scuo1aSuperioreSantna 研究小组 另外还有一些在法国和德国的研究小组 11 2医疗机器人技术的发展 36 11 2 3我国医疗机器人的发展1 自2006年中国人民解放军总医院心外科首次引进达芬奇系统以来 国内已有多家医院引进该系统 并进行了成功的临床应用 北京解放军总医院是中国大陆第一个引进达芬奇系统的医院 在那里 多例外科手术在机器人神奇的手臂下成功完成 达芬奇 机器人近百种 手 中的一种 8毫米大小 七自由度 各关节之间能90度活动 能减少颤动 11 2医疗机器人技术的发展 37 2 哈工大机器人在医疗领域大展 身手 哈工大机器人研究所利用学科交叉的优势 开展了机器人辅助矫形外科手术和介入外科手术 用穿戴机器人手臂进行人体上肢的康复治疗 用MEMS传感器技术进行远程人体生命检测系统等研究 取得了多项成果 11 2医疗机器人技术的发展 38 长期以来 矫形外科手术中传统的骨折接骨方法 对骨折病人采用人工牵引的方法 将错位的骨头牵引拉开 恢复原位后 把钢钉穿入骨髓使断骨连接 医务人员必须在X光的平面透视下 摸索寻找钢钉的孔位 从外部打孔进行锁定 完成对髓内钉的远端锁定 11 2医疗机器人技术的发展 39 这种手术方式复杂 一次成功机率较低 即使是经验丰富的医生也往往无法做到一次成功 所以容易发生髓内钉远端锁定失准失败 引发手术并发症 同时 手术过程中 医务人员和患者都要长时间暴露在X光射线下 所有这些问题 都是国内外医疗界长期探索革新的医疗技术难点 11 2医疗机器人技术的发展 40 3 接骨机器人涉及机器人 网络技术 计算机 医学影像和外科手术等诸多学科 哈工大在 863 计划的资助下 联合北京航空航天大学机器人研究所 北京积水潭医院 哈尔滨医科大学附属第二医院等单位 研制出一大一小两种类型的接骨机器人系统 大型系统侧重于跟踪国外先进技术 用较大的投资建立适于研究和应用的全数字医疗平台 开展医学图像处理 网络遥操作 自动化手术 手术虚拟仿真等医疗机器人通用技术的研究及在接骨手术中的应用 小型系统侧重于实用化研究 系统采用框架式结构 具有体积小 价格低 便于医生操作和大面积推广等特点 11 2医疗机器人技术的发展 41 4 2005年9月 哈工大在医疗机器人研究领域再次取得重要突破 我国第一部用于手指功能锻炼的辅助治疗装置 智能仿生康复训练机械手样机在哈工大问世 它将在改善患者手部外伤的治疗效果 最大限度防止患者手指关节功能障碍发生等方面发挥积极作用 11 2医疗机器人技术的发展 42 据介绍 手是极易受到损伤的人体器官 由于其内部神经 血管 小肌肉纵横交错 一旦受损治疗难度很大 治疗后功能恢复也多不理想 临床上 手外伤术后多需将患指固定 周 易致使淤积于关节内肌腱周围的淤血形成纤维变性 直接导致手指关节及肌腱的粘连 在不同程度上影响患指功能 11 2医疗机器人技术的发展 43 针对手指抓握等精细动作康复器具的研究在我国尚处于空白的状况 哈工大校长王树国教授和付宜利教授带领的课题组与哈医大四医院共同承担了国家自然科学基金项目 智能促动手 指 功能恢复医疗仿生机械手研究 11 2医疗机器人技术的发展 44 仿生机械手采用模块化设计 由 个类似人类手指的 手指 组成 每个 手指 分 仿生手指 模块和 仿生肌肉 模块两部分 仿生手指 模块采用平面杆机构和空间杆机构实现受伤手指各关节的运动 仿生肌肉 模块包括驱动器 导向机构 张紧机构和支撑机构等实现 仿生手指 的驱动控制 11 2医疗机器人技术的发展 45 5 脑外科及其任辅助系统 该脑外科机器人辅助系统是由北京航空航天大学 清华大学和海军总院共同研制开发的 1997年5月用该机器人为病人实施了首例开颅手术 到2000年11月已为140多位病人实施了这种手术 11 2医疗机器人技术的发展 46 6 国内首台微创外科手术机器人 妙手A McroHandA 系统没有很长很深的刀口 只有5个直径约1cm的洞和很少量的出血 仅1个多小时 机器人 大夫 就将一头小猪的胆囊成功摘除 手术过后半小时 逐渐清醒的小猪已在手术台上挣扎起来 去年7月3日 国内首台微创外科手术机器人 妙手A McroHandA 系统在天津大学举行鉴定会上的一幕 鉴定专家介绍 妙手A 系统是国家863计划项目 在机器人系统机械设计 主从控制 立体图像与系统集成等关键技术上取得了重大突破 它被中国科学院院士熊有伦等7位专家组成的鉴定委员认为填补了国内的医疗数字化空白 达到国际领先水平 11 2医疗机器人技术的发展 47 事实上 国外微创外科手术机器人 达芬奇 早在10年前就已在手术室中使用 而 妙手A 的意义 很大程度就在于打破了 达芬奇 的垄断局面 据在鉴定会上操作 妙手A 系统与常规开刀手术相比 微创手术在治疗效果 减轻痛苦 恢复周期 医疗成本等方面具有明显优势 而医疗辅助机器人系统可以说是外科学领域的再一次突破 大大拓宽了微创外科的范围 11 2医疗机器人技术的发展 48 达芬奇系统除购置费用高以外 手术耗材等也十分昂贵 比如刀具每用10次就要更换 每4个月就要进行一次预防性维修 这使得更换耗材和维修费用就要达到机器人系统费用的40 左右 对医院和患者都是一笔沉重的负担 国内自主研发的 妙手A 系统最终成本将只有国外产品的1 3 1 2 耗材也不会那么脆弱 未来推向医疗市场后将有助于降低同类产品的价格与维护成本 把机器人手术的费用大大降低 11 2医疗机器人技术的发展 49 据悉 妙手A 系统在很多技术指标上 已经走在了达芬奇系统的前面 比如 首次设计完成四自由度小型手术工具 可完成复杂的缝合打结运动操作 通过信号的异地 远程传输 不远的将来甚至可以让北京的医生对异地任何一个有条件的医院的病人进行手术 从而大大提高医疗效率 减少医疗成本 11 2医疗机器人技术的发展 50 11 2 4发展瓶颈和问题通过观察全世界医疗机器人的发展情况 可以看到在临床和技术 商业角度两方面取得了非常大的成果 机器人在神经外科 耳鼻喉 ENT 手术和整形外科中已得到成功应用 在腰部胸部的外科手术系统的开发中 主要的挑战在于影像导引 由于身体易受外界影响导致其解剖结构具有高度的可变性 致使在处理软组织模型时出现很多问题 如 病人在手术室中的位置 解剖结构中具体的手术位置和手术工具的记录 11 2医疗机器人技术的发展 51 1 技术方面的关键问题在管理信息系统的初期 因为缺乏足够的经验 所以需要花费很多金钱用于积累经验 发展技术 11 2医疗机器人技术的发展 52 2 医疗机械及控制为了完成上述任务 医生了解新的机械装置 致动器 能源 控制器 传感器和集线器管理接口 另外对医疗机械的开发 在外科手术机器人系统中 机械系统的主要考虑问题以及制造过程中的事项 安全 轻型 关节的制动性 精确 无后冲 开环 偏差 清洁操作 干燥的机械设备或密封的关节 手术中的成像和导航所用的X射线和磁适应性 不高于铁磁材料所允许的 11 2医疗机器人技术的发展 53 3 人员 存在一种学医的不懂机械和控制以及软件 学机械的 控制的 软件的不懂医学 所以需要掌握多学科 综合型人才 那么我们要培养多学科交叉的人才 另外 就是多学科人才结合 成立交叉学科团队 11 2医疗机器人技术的发展 54 总之 医疗机器人大发展处设备本身的可靠性 灵活性 安全性外 设备的小巧精细及材料可靠 最重要的是人员 懂医的不懂机械 电子 懂机械 电子的不懂医学 多学科交叉复合人才少是主要原因 在先进的东西最后起决定作用还是人 11 2医疗机器人技术的发展 55 短期内 成本将限制完全成熟的大型机器人手术系统的广泛采用 这类系统可能升至一百万元或更多 且维护起来十分昂贵 然而 研究表明 大多数使用这种系统的外科医生已转换到这一技术 显然 需要成本更低的系统 全世界许多研究人员都在忙于工作 从而实现这一目标 11 2医疗机器人技术的发展 56 随着社会的进步 经济的发展和人民生活水平的提高 越来越多的人需要数字化家庭医疗保健服务的智能机器人系统且功能全面 家用智能机器人 基于蓝牙技术的智能家居和数字化医院等方面的拓展应用非常广阔 具有极大的市场潜力 11 2医疗机器人技术的发展 57 11 1什么是医疗机器人11 2医疗机器人技术的发展11 3各类医疗机器人的介绍 第十一章医疗机器人 ArtificialIntelligenceandRobotics 2020 2 24 57 58 首先了解传统心脏手术VS机器人心脏手术传统心脏手术 最常用的方法是开胸后在体外循环下完成 因手术中需要劈开胸骨 患者胸前将留下长达20厘米的瘢痕 冠心病患者一般年岁较大 常伴有多种慢性病 所以开胸手术风险较大 术后患者疼痛较明显 甚至可能并发胸骨裂开 感染等 使患者的恢复时间延长 降低患者的生活质量 11 3各类医疗机器人的介绍 59 心脏手术时 前正中开胸 体外循环下完成手术是最常用和传统的方法 因手术中需要纵行劈开胸骨 出血量大并破坏了胸廓的稳定性 术后患者疼痛较明显 甚至可能发生胸骨裂开 感染等并发症 延长了患者的恢复时间并极大的降低了患者的生活质量 这种潜在的手术风险使许多患者对接受心脏手术望而却步 此外正中开胸后手术切口瘢痕明显 对患者造成了一定程度的生理和心理负担 11 3各类医疗机器人的介绍 60 机器人心脏手术 机器人心脏手术技术相当于把外科医生的手变细和拉长了 因此无需打开患者胸腔就可以完成手术 给患者留下的创伤和痛苦要比传统手术小得多 而且恢复快 不但如此 机器人手臂还能突破常规手术中术者自己操作 视野的局限 大大缩短手术时间 让手术变得更加准确 安全 患者接受搭桥手术时如果开胸 术后呼吸机要维持8个小时甚至更长时间 3天后才能吃饭 活动 而如果患者接受的是利用机器人做的搭桥手术 术后两天就可以回普通病房 再观察3天 如果一切正常 就可以出院 11 3各类医疗机器人的介绍 61 在保证同样甚至更为优良的治疗效果的前提下 利用机器人做各种小切口的应用 非体外循环技术的创造 腔镜技术的发展为心脏外科领域注入了勃勃生机 近年来 在微创外科的理念和现代高科技推动下 出现了腔镜技术和尖端的自动控制 网络通讯和计算机技术的相结合 而创造出机器人外科的全新微创外科新时代 11 3各类医疗机器人的介绍 62 机器人手术系统还能通过软件处理来消除手术医师手部的轻微震颤 使操作更加平稳 术中可以使用机器人手臂从1厘米的小切口进入患者体内完成手术 不需要开胸 效果等同于甚至好于传统手术 不破坏胸廓稳定性 创伤小 术后疼痛感轻微 恢复快 出血 纵隔感染等并发症明显减少 术后监护和住院时间明显缩短 11 3各类医疗机器人的介绍 63 3 1美国的 达芬奇S 机器人手术系统20世纪90年代 随着微创外科的兴起和发展 机器人手术的概念第一次被引进心脏外科领域 目前世界上最先进的作为商品出售的手术机器人和使用最广泛的主要是由IntuitiveSurgical公司制造的 达芬奇 机器人手术系统 11 3各类医疗机器人的介绍 64 达芬奇 系统机器人手术系统 该系统的手术设备分主要分为3部分 1 手术医师操作的主控台 2 机械臂 摄像臂和手术器械组成的移动平台 3 三维成像视频影像平台 11 3各类医疗机器人的介绍 65 手术机器人 达芬奇 左 外科医生和控制台中 助手 机械手和手术台右 视频系统 实际上视频系统可以在控制台和其他需要的地方被看到 美国的 达芬奇S 机器人手术系统 66 手术时需要两名针对 达芬奇 系统进行过专门训练的医生 主刀医生在控制台控制机器手臂的运作 另一名医生在病人旁协助 达芬奇 系统是一种视频操纵系统 操作者与机器手臂间通过电路相连 医生控制台装有三维视觉系统和动作定标系统 医生手臂 手腕和手指的运动通过传感器在电脑中精确记录下来 并同步翻译给机器手臂 振动消除系统和动作定标系统保证了机械臂在狭小的手术野内进行精确的操作 11 3各类医疗机器人的介绍 67 在3个机械手臂中 中间的手臂连接胸腔内镜 其通常包括2个平行的内镜以建立三维视图 手术野图像被放大10倍后以最佳的视觉效果在监视器上显示出来 左右两支机械手臂均安装有类似手腕关节的机械腕 可以灵活的控制末端的特制的手术器械 11 3各类医疗机器人的介绍 68 机器人手术的优点 它具有三维的图像 机械臂有七个自由度 手术医师能舒适的坐在较远距离外操纵机器进行手术 机械臂增加了活动的自由度 大大的提高了手术医师的操作能力 11 3各类医疗机器人的介绍 69 此外 还能将控制柄的大幅度移动按照比例转换成患者体内的精细动作 恢复合适的眼手协调性和符合人体生态学的位置 它具有的三维视觉和深度知觉较传统的腔镜摄像系统有了很大的提高 不怕放射性物质和感染性疾病 11 3各类医疗机器人的介绍 70 机器人系统使得一些原先手术医师在技术上很困难甚至几乎不可能的一些问题变得可能 所有的这些优点提高了图像的分辨率 结合自由度的提高和灵活性的增强 将极大的提高手术医师对分离解剖组织的鉴别能力 机械臂增加了活动的自由度 大大提高了手术医生的操作能力 保证了高难度动作的完成并增加了手术可覆盖范围 11 3各类医疗机器人的介绍 服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人 它能完成有意于人类健康的服务工作 但不包括从事生产的设备 这里 我们把其它一些贴近人们生活的机器人也列入其中 服务机器人的应用范围很广 主要从事维护保养 修理 运输 康复 保安 救援 护理 监护等工作 服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员 71 3 2 服务机器人 11 3各类医疗机器人的介绍 72 服务机器人的工作环境多是非确定性的环境 如办公室 家庭居室 医院 养老院等 由于这种环境下物品的复杂性和多样性 以及人和障碍物的动态随机移动造成机器人工作环境变化 使得服务机器人导航定位研究具有更大的难度和挑战性 并成为目前服务机器人广泛应用的制约瓶颈 所以人们提出了智能环境 智能空间 11 3各类医疗机器人的介绍 73 11 3各类医疗机器人的介绍 74 3 2 1家庭环境智能空间建立 在家庭环境的某些区域装配上人工地标 无线传感器网络 CCD摄像头 无线射频标签 RFTag等 执行器 显示器 顶棚投影机 智能家居等 通讯网络设备和计算机系统 从而建立一个人 机器人共存的人工家庭服务环境 智能空间能通过无线传感器网络感知其空间内部各对象发生的变化 通过网络与机器人进行信息传递 并进行记录 跟踪和管理 11 3各类医疗机器人的介绍 75 搭建具备信息处理 数据库管理和计算能力的客户 服务器模式 Client Server简称C S 的计算机系统 利用服务器实现智能空间中多种设备的数据共享 同时对感知设备获得的信息进行处理 然后将结果传给执行设备和机器人 智能空间组态示意图 76 实现了智能环境中的物品搜寻与抓取 给出了不确定环境下任意位置 多种类物品的搜寻 定位 识别 抓取及运送过程的整体实现技术 为复杂环境下服务任务的完成提供了实用化的方法 77 3 2 2自主定位与导航 机器人与其所处的智能空间进行单工或双工的信息交互 并与本体局部传感器的多种信息融合 利用机器人的推理和学习能力来实现在未知的或半未知动态环境中基于与智能空间交互的移动机器人自主定位与导航 11 3各类医疗机器人的介绍 78 与智能空间交互的家政服务 使得自主机器人针对家庭环境下的多种类多操作方式的物品 利用智能空间信息确定操作方式 快速 准确 敏捷的完成物品的传递 整理等操作任务 11 3各类医疗机器人的介绍 79 行为识别与理解 通过智能空间的分布式视觉系统和机器人的视觉系统 多角度 多层次观察人的动作和姿态 并结合各种上下文信息 正确理解人的意图 实现对病人 老人和小孩等的行为动作进行监护 从而作出相应的反应 为其提供某些必要的服务 11 3各类医疗机器人的介绍 80 跌倒行为识别 以人的形态比和重心的变化速度为特征描述人跌倒过程中的静态和动态变化 实现对跌倒的识别 特色 同时考虑了静态和动态变化 有效地区分了正常躺下动作和异常跌倒动作 11 3各类医疗机器人的介绍 81 典型动作识别 首先提取人体动作序列的动作轮廓 然后用傅里叶描述子进行降维和轮廓描述 再用PCA获取主分量 最后进行识别 特色 计算量小 准确度高但是 对前景分割要求较高目前正在研究具有较高鲁棒性的前景分割算法 11 3各类医疗机器人的介绍 82 对智能空间进行区域划分 将人的位置和动作与智能空间的环境信息相关联 实现对人异常状况识别 意图推测等 由此推断人的需求 并给人提供主动服务 11 3各类医疗机器人的介绍 83 机器人病房巡视系统研究背景 住院病人采用分级护理制 级护理约20分钟巡视一次 1名值班护士在6 8h内要不停巡视30名病人 体力 脑力和精神负荷巨大 主客观原因造成的巡视不足 导致医疗纠纷不断 造成医院及医护人员精力和财力的无谓消耗 随着机器人技术逐渐成熟 应用机器人辅助巡视 可显著降低值班护士的劳动强度及精神负荷 对于提高护理质量 具有重大现实意义 全国现有三级甲等医院总计1182家 2007年 潜在用户需求巨大 市场前景广阔 并可方便推广到老人院等社会福利机构 社会影响深远 11 3各类医疗机器人的介绍 84 山东大学第二医院住院部平面图 构建了具有无缝信息服务能力的病区智能空间 病房区 集中监控区 护士站 病人活动区 病房区 住院病区智能空间由硬件和软件两个平台组成 11 3各类医疗机器人的介绍 85 住院病区智能空间硬件平台 在病房 休闲区和护士站分别装配上人工地标 无线传感器网络 CCD摄像头 无线射频标签 RFTag等 执行器 显示器 顶棚投影机等 通讯网络设备和计算机系统 从而建立一个人 机器人共存的人工服务环境 可感知空间内部各对象发生的变化 进行记录 跟踪和管理 并通过网络与机器人进行信息传递 11 3各类医疗机器人的介绍 86 实现对智能空间硬件设施的管理 信息的无缝连接 为机器人病房巡视任务提供信息支持 住院病区智能空间软件平台 11 3各类医疗机器人的介绍 87 医院智能空间软件平台 医院智能空间软件平台主界面 视觉操作设置按钮 88 移动机器人病房巡视 巡视机器人在智能空间的支持下 代替护士按照护理等级 护理规范进行病房巡视 协助医护人员及时发现病人住院过程中所出现的问题 提高病人满意度 减轻护理人员的劳动强度 病房巡视及室外病人跟踪与监护 89 基于智能空间的服务机器人快速准确导航 90 病房巡视 病房巡视 病人信息验证 输液瓶查找 伤口及针头刺入部位 面部表情 生命监护仪及引流袋等 病房巡视及室外病人跟踪与监护 91 1 上位机监控平台软件架构 3 定位摔倒检测监控平台界面 2 数据提取处理流程 DGPS定位定位系统上位机监控平台设计 92 定位结果分析 DGPS定位与摔倒检测报警系统 定位设备放置 室外定位应用 DGPS定位系统应用情况与分析 DGPS定位绝对误差90 以上落在2米以内影响因素 大气的对流层 电离层及地面高大的建筑物都会影响GPS对信号的接收 其中天气状况 场地复杂程度是影响到GPS搜星的主要因素 93 惯导模块AHRS GPS模块 控制器GSM模块 智能马甲 摔到检测 定位及报警系统 智能马甲系统由包括惯性导航模块 GPS模块 控制器 GSM模块和监控界面组成 基于神经网络的摔倒检测算法 可以准确地检测病人摔倒状态和位置信息 并通过GSM将该信息传到监护站 在监控画面上实时显示被测人员的状态和位置 当病人摔倒时 系统还通过短信发送到病人亲属手机进行报警 94 室外特定病人的跟踪与监护 目标跟踪 95 室外特定病人的跟踪与监护 正常状态 96 室外特定病人的跟踪与监护 异常状态 97 11 3 2其他手术机器人 1 腹部手术机器人日本JIKEI大学医用诊断成像技术研究所的科研人员开发出一种袖珍腹部手术机器人 其最大尺寸仅6mm 据研制者介绍 该腹部机器人适合做各种腹腔内直视手术 也适合做心血管手术 新开发的手术机器人配备有一台立体摄像仪 两个操纵杆和一只直径3mm的柔性管 可作为仪器通道 此外 该手术机器人还可配备4D超声波成像仪等设备 其通用性较强 11 3各类医疗机器人的介绍 98 2 蛇形机器人美国卡内基 梅隆大学的一个科研小组去年研制成一种蛇形手术机器人 CARDIA ARM 它有一个 蛇头 内安装有摄像头和一些手术器械 其 蛇身 则由若干节可自由弯曲的部件构成 总长为300mm 蛇头 蛇身 的直径为12mm 据研制者介绍 该蛇形机器人适合做各种血管手术 尤其是复杂的动脉血管手术 如切除动脉内壁上附着的脂类物质斑块等 只要在胸前皮肤上开一个很小的口子 塞入蛇形机器人 就能进行手术 且术后病人恢复较快 11 3各类医疗机器人的介绍 99 3 膝部手术机器人中国台湾成功大学下属的一个研究中心开发出一种适合做各种膝部手术的新型机器人 据介绍 人的膝部骨骼 肌肉和神经非常紧凑合复杂 当医生在膝部动手术刀时 一不小心就会伤及神经或肌肉 台湾大学开发的膝部手术机器人具有六角形结构的平行操纵杆 在软件导引下 该手术机器人可进行各种复杂的膝部手术 如骨质增长部分的精确磨削等 使其恢复原状 从而可代替外科医生做一些难以完成的手术 11 3各类医疗机器人的介绍 100 4 便携式低价手术机器人目前市场上的手术机器人的售价动辄在每台100万美元左右 这对广大发展中国家的医院来说有点难以承受 为开发出一种大众化的手术机器人 美国普渡大学电子机械系的科研人员经多年研究 终于研制成一套新型便携式手术机器人 其售价仅为每台20万 25万美元 约为目前手术机器人市场价格的1 4 1 5 据了解 由普渡大学新开发的手术机器人的灵敏度极高 适合做包括前列腺癌切除等需要高精度的外科手术 因为前列腺附近密布各种神经 人工手术时一不小心就会伤及性神经 造成病人阳痿等不良后果 这种手术机器人的切口十分精确 绝不会伤及前列腺周围神经 11 3各类医疗机器人的介绍 101 5 心血管手术机器人东京大学研究人员开发出一台适合做心血管微创手术的新型机器人 C PORT FLEXA 众所周知 心胸手术的难度较大 一旦手术失误则很有可能危及病人的生命 日本医学界在内窥镜手术方面的技术在国际上领先 即便如此 日本医学界每年都有病人死于心血管手术 如冠心病搭桥手术等 东大研究人员开发的新型心血管手术机器人体积小巧 可在探头导引下精确完成血管缝合等需要高精度的外科手术 预期这种心血管手术机器人将在今年批量投产 11 3各类医疗机器人的介绍 102 医疗保健机器人 11 3各类医疗机器人的介绍 大力搬运员丽芭 情绪抚慰者泰莫 103 11 3各类医疗机器人的介绍 康复指导师泰佐 超级轮椅佩尔玛 104 11 3各类医疗机器人的介绍 远程诊断机器人 结肠诊疗机器人利用钳子和扩充器自行拉动在肠道内移动 105 11 3各类医疗机器人的介绍 采血机器人 吞服式机器人ARES 患者吞腹或由医生插入人体 在体内组装进行手术 106 11 3 7 最先进医疗机器人1 爬行摄像胶囊 按照设计 这个机器人可携带摄像机 通过有弹性的 腿 爬进患者的