第十一章复习题

第十一章复习题一．.医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，具有重要的研究价值，有着广泛的应用前景，是目前机器人领域的一个研究热点。医疗机器人主要用于伤病员的手术、救援、转运和康复。二．医疗机器人的特点：除了机器人共有的特点即：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；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。还有: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。①其作业环境一般在医院、街道、家庭及非特定的多种场合，具有移动性与导航、识别及规避能力，以及智能化的人机交互界面。在需要人工控制的情况下，还要具备远程控制能力。②医疗机器人的作业对象是人、人体信息及相关医疗器械，需要综合工程、医学、生物.药物及社会学等各个学科领域的知识开展研究课题.医疗机器人的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。以人作为作业对象的医疗机器人，其性能必须满足对状况变化的适应性、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。⑤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。从技术上讲医疗机器人的发展是建立在以下几种基本技术的基础上：它们是机械设计与制造技术、传感器应用技术、自动控制技术、驱动器技术、人机交互技术。根据用途医疗机器人大致可以分为救援机器人、手术（外科）机器人、转运机器人和康复机器人等。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”。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，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。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……机器人手术系统集计算机技术、精密机械技术、远程网络通讯技术、现代医学知识、手术技术等多项现代高科技手段于一体，具有放大10倍的清晰的三维图像，外科医生可以对任何细节进行精细准确的操作。七、“达芬奇”系统机器人手术设备分主要分为几部分？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。八.“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。九、“达芬奇”系统工作原理及优点：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。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。新一代的“达芬奇S”(daVinciS)系统在原来的基础上发展出第四手臂，极大的方便手术造作中的暴露需要，并可采用广角镜头，视野扩大，更方便胸腔内定位。机器人系统有很多腔镜手术不具备的的优点，比如它具有三维的图像、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。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。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。医疗机器人发展瓶颈和问题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。现今，还不能证明是否对病人健康有风险，因此必须对培训医生的各种新模式进行调查研究。在我们看来，例如对外科医生掌握新一代微创手术技术的培训问题将面临下面三个步骤：a)外科手术过程的理论学习，通过采用交互式多媒体让外科医生在不同阶段参与手术，提醒他们关注最重要的细节和安全守则。b)通过在模拟设备上进行训练，提高和评估医生的基本能力，提高在遥控环境下操作者的灵巧性：手与眼的协调；立体视觉识别；动作的同步；非主手臂在复杂运动下的性能等。c)进行手术时，应有医疗专家对年轻的外科医生进行指导。医疗机器人和管理信息系统的关键问题是，缺少解剖过程中刚性工具相互作用的触觉反馈。为了达到安全的手术导航及开发仿真手术模拟装置，需要将解剖的可变形结构与工具之间的相互作用模型化。2.医疗机械及控制为了完成上述任务，需要新的机械装置、致动器、能源、控制器、传感器和集线器管理接口。在大型外科手术机器人系统中，机械系统的主要问题是：◆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)这里面包括：1、由于零部件尺寸很小，所以找不到标准的部件。而且，特别是对机械工程来说：不能制作出令人满意的旋转关节。柔性铰链的机械活动部件；2、需要开发轻小耐用的微电池；3、传感器：内窥镜视觉传感器、仿生感知行为的位置、接触和力传感器、需要微位置、速度和加速计传感器；小型照相机、力和接触传感器、位置传感器和视觉传感器等；4、小型致动器所需的关键部件的伺服电动机（最小的电磁马达直径2mm，长15mm。）；5、人机交互界面：机器人直接完成所有手术动作，是与系统进行信息交互的，HMI是视觉、听觉和触觉界面的综合体，显示装置，LCD监视器；6、触觉；7、遥感需要对高精度、可预测、重复的工作自主控制以及对其他一些人类不能被替代的工作远程控制。在自主手术中，遥感控制必须能实现手术现场的三维重现。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。4.问题

对现有系统，还有如下一些问题未解决：◆实现机器人动作的透明化◆机器人传感器的最优化，尤其是人机交互的触觉传感器和对于风险和威胁的探测传感器◆缩短手术前和手术中的准备时间◆减少复杂性◆保证安全性◆减少最终用户的使用价格十一、数字化家庭的医疗保健机器人可以提供如下的服务：

(1)医疗监护

通过集成有蓝牙模块的医疗传感器对家庭成员的主要生理参数如心电、血压、体温、呼吸和血氧饱和度等进行实时检测，通过机器人的处理系统提供本地结果

(2)远程诊断和会诊

通过机器人的视觉和听觉等感觉功能，将采集的视频、音频等数据结合各项生理参数数据传给远程医疗中心，由医疗中心的专家进行远程监控，结合医疗专家系统对家庭成员的健康状况进行会诊，即提供望(视频)、闻、问(音频)、切(各项生理参数)的服务十二、几种先进医疗机器人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”爬进患者的消化道，替代传统内窥镜进行检查。它可用来检查食管、胃和十二指肠内部的损伤或溃疡情况，由意大利圣安娜高等学校的CRIM实验室开发。2.游动摄像胶囊：这款摄像胶囊由微型螺旋桨驱动，也设计用于检查人体消化系统。在被患者从嘴里吞服下以后，它会“游动”检查医生所怀疑的区域。3.远程诊断：医生正通过RP-7医疗机器人向护士询问患者病情。这款机器人与听诊器、耳镜和超声扫描仪相连接，还有一个相机和一个屏幕，使患者和远方的医生都能看到对方，从而使医生可以最大限度地像亲临现场一样进行诊疗。4..肌肉机器人：RI-MAN机器人是由日本名古屋理研生物模拟控制研究中心开发的医用搬运工模型。它不仅有柔软、安全的外型，手臂和躯体上还有触觉感受器，使它能小心翼翼地抱起或搬动患者。从长远来看，RI-MAN机器人能取代护工去照顾老人或体弱多病者。

5.摄影机器人：在微创手术(即“锁孔手术”)中，摄影机器人FreeHand可以让外科医生运用头和脚来控制腹腔镜相机。这意味着他们可以腾出手来做手术。6.前列腺诊疗机器人：根据设计，Probot机器人可以让外科医生准确地切除肥大的前列腺，将对患者造成的伤痛降至最小程度。外科医生只需指定要切除的前列腺部分，无需进一步干预，机器人即可自动将其切除。7.吞服式机器人：患者可将一块块的ARES机器人(即“可重构装配腔内手术系统”)吞入腹中，或由医生通过自然开口将其一块块插入人体，接着，它们会在体内自行组装。这样一来，外科医生在少切口或根本不用切口的情况下也能对患者进行手术。患者要吞服15块不同的机器人组件，后者进入体内受损部位。一旦到达指定位置，机器人组件就会组装成一个能够实施手术的较大工具。8.结肠诊疗机器人：Endotics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，而不需要像常规结肠