【《骨折复位机器人发展研究的国内外文献综述》4700字】

骨折复位机器人发展研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u206骨折复位机器人发展研究的国内外文献综述 1203171.1医疗机器人的研究现状 1273671.2骨折复位机器人的发展现状 3285671.3骨盆复位机器人研究现状 58116参考文献 91.1医疗机器人的研究现状医疗机器人最早设计于上个世纪八九十年代，由美国科学家Y.S.Kwoh教授等人医疗机器人最初主要设计于美国上个世纪八十至九十年代,由著名美国生物科学家Y.S.Kwoh教授等人利用PUMA200工业机器人为基础设计和研发出来的[6]。研究人员通过理论和实验探索发现机器人的操作不仅仅是体现在操作速度快于进行手动调试的操作,并且机器人穿刺和定位的精确性得以显著提高,从此也证实了我们可以通过正确地校准机器人的精确运动轨迹和其运动轨道来大幅提高手术的精确性,实现了神经外科和手术的精准定位,标志着手术机器人时代的开端。在上世纪八九十年代的日本，IMATRON公司生产的一款六自由度NeuroMate机器人[7]。这款六自由度串联机器人可以在手术前给医生提供详细的影像分析和规划，并且可以进行一些普通的手术。手术医师根据该系统提供的术前图像对其进行了计算和术中的规划,然后由机器人上的被动机械臂共同协助完成了手术。该类机器人主要是通过锁定各个关节之间的位置和角度,使用该类机器人将穿刺针和电极等器械装置送至设备预定的位置,并引导手术医师完成手术操作。标志着手术机器人正式步入临床使用。在上世纪九十年代初，美国国家综合医院外科医疗系统公司已经推出了一款新型的ROBODOC以及ORTHODOC（图像处理系统）。该计算机工作站工作时不仅能够有效让骨科医师既能较为精确地分析检查和找出一位骨折患者的整个身体内部骨架结构特点,又同时能将其适当地组合应用于每到一个全髋和膝关节运动放大器的置换术前段。该型号的手术机器人能够按照手术前的规划自动地执行整个手术过程,该款机器人已经完成了世界第一例手术机器人辅助进行全款关节置换的手术实验,证明了机器人可以辅助医师完成一些复杂的手术。如图1-1所示：图1-1：ROBODOC手术机器人系统在20世纪末,北京航天航空大学和隶属中国解放军北京海军第二总医院共同合作研制开发出了第一代基于微机puma262工业机器人专用医疗卫生机器人的专用电子中心脑外科工业医疗卫生机器人CRAS[9]。该机器人成功开展了临床应用,填补了我国医用机器人研究的空白，为我国医用机器人的发展奠定了基础。在本世纪初,美国的公司Intuitivesurgical公司首次自主开发研制成功了的达芬奇手术整形机器人操作系统,该种整形手术中的机器人操作系统被广泛应用于各类口腔外科和整形手术等医疗领域[10]。达芬奇机器人是由三个主要部分共同设计组成：自动控制操作平台、床旁机械臂控制系统以及头部成像信号处理控制系统。如图所示1-2。图1-2：达芬奇系统组成在2002年,北京航天航空大学公司先后联合中国哈尔滨工业大学、北京积水潭医院等国内多家医学科研机构,成功地自主研制了一种小型的的多模块自动化智能骨科医疗机器人控制系统[11]。该机器人系统是根据手术过程中的特点和需求,巧妙地把一些机器人部件和导航结合在一起,设计成一种并联结构，这并联结构非常紧凑,非常适合临床使用。在2006年天津大学成功研制“妙手”机器人系统。“妙手”系统分为两支专用的机械手，其中主手是一种具有力反馈功能的PhantomDesktop主手,而从机械手则为医院自主研究和开发的专门针对显微外科血管缝合而设计的,实现了显微外科的精确操作[12]。妙手机器人系统如图1-3所示。图1-3：妙手机器人系统综上所述，随着机器人技术的不断发展，从改装的PUMA200机器开始到现在的“达芬奇”机器人系统。机器人结构从串联结构变成了如今的串并混联结构，这也就意味着时代发展对机器人的要求越来越高，对机器人的精准度和准确度的要求也越来越高。1.2骨折复位机器人的发展现状除了上述的医疗手术机器人，医疗机器人另外一个特别重要应用领域为骨折复位机器人。骨折手术治疗的一个本质工作就是进行复位、固定和机体功能康复，其中复位效果的好坏无疑是判断手术治疗效果的重要参考因素[13]。由于骨折的复位过程是相对固定的，因此各种复位手法可以通过机器人的运动来进行模拟，从而实现骨折复位过程。由于这种机器人的专业机械手能够实现精准空间定位及重复运动规律的功能,所以这种机器人在操作时就可以替代医师来完成一些较为繁琐的空间定位操作。在21世纪初，由中国空军军医大学的张肖在等人研发了一种专门用于四肢长骨骨折的复位机器人[14]。该机器人是由工业机器人进行改装而成的六自由度串联复位机器人系统，如图1-4所示。医生通过手柄的移动带动两只机械手的运动，通过计算机程序的控制来完成长骨骨折的复位过程。图1-4：长骨骨干骨折复位机器人在21世纪初，美国的罗文大学生物医学工程系的MohammadH.Abedinnasab教授设计了一款并联机械手结构来完成骨折复位操作[15]。如图1-5所示。机器人有6个自由度。它有一个全正面开放的表面，为外科医生提供了一个大的手术范围。(b)(c)图1-5：（a）为并联机器人的结构，（b）为机器人控制系统，（c）为机器人骨折复位仿真实验。该款四肢长骨复位机器人的机械结构是在Sewart机械结构的基础上进行优化设计的，通过三个万向节和机械臂的运动，可以起到复位效果。2006年，北京积水潭医院王军强教授成功了主导开发并研制了一种的2-PPTC的定位机器人[16]。该机器人在手术过程中进行X光透视和采集骨盆的手术对象以及全部标记点的X线透视图像。通过双平面定位算法，完成了手术过程中正侧位与定位平面的空间映射关系。综上所述，本课题发现大多数的机器人都是由工业机器人为基础进行设计而来的。工业机器人这种类型的复位设备特点之一就是它们能够实现自动化和精确的控制，复位过程相对来说比较平稳。但是工业机器人的一些缺陷也带到了复位机器人上，结构过大，运动过程中存在细小的抖动，特别是并联机械手的控制相对来说比较复杂，对于现在医院所提倡的微创化或无创化处理过程难以实现。1.3骨盆复位机器人研究现状由于骨盆结构不像人的股骨、长骨和胫骨那样具有规则的结构形态，骨折后也没有特定的形态。国内外针对骨盆复位手术机器人的研究正在热火热潮的进行深入研究。目前,临床上多数手术采用支架空心钉、使用支架内外固定的各种手术方式进行骨盆骨折的治疗，其中技术较为成熟和先进的是美国的教授自主设计的一种用于固定在手术床上的骨盆复位支架StarrFrame[17]。该固定架可以对骨盆进行小范围的复位调整，也可以对骨盆复位结果进行固定。目前,国内外针对骨盆的骨折复位机器人研究还比较少,按照机器人结构的类型不同,我们大致可以将其细分为串联式骨盆复位机器人、并联式复位机器人和混合的骨盆复位机器人。从2002年开始，由北京积水潭医院、中国科学院深圳先进院和天智航公司等研究机构共同开发设计，成功研制出一款“天玑”骨科导航机器人[18]。如图7所示。“天玑”骨科导航机器人能够通过自动辅助医生精准骨折的定位，来帮助医生更加精准的植入物或手术器械。该机器人的定位精度达亚毫米级，可降低手术过程中的风险、减少并发症的发生。他的出现改变了使用复位架进行复位手术的过程。图7：天玑”骨科导航机器人天玑骨科导航机器人可以当作六自由度的串联结构的机器人，由于串联机器人的结构具备紧凑，控制方便等优势。该款机器人可以通过导航来实现虚拟复位路径规划，帮助医生在手术前制定手术方案，降低对患者的伤害。由北京时延庆医院骨科的徐九峰等人设计的骨盆复位机器人，该款并联机器人是基于Stewart平台设计而出的[19]。如图8所示，由四部分组成。图8：骨盆模型复位操作1.骨盆模型；2.复位机器人；3.操作杆；4.术者；5.照相机；6.显示器该骨盆机器人能够满足复位精度高、自由度大和操作时间短等优点。通过使用六自由度并联机器人来进行骨盆骨折复位，能够更好的模拟手法复位过程。由于并联机器人的控制系统设计复杂，开发难度大，由于结构过大，工作空间狭小，使用会对医生观察骨折部分的视野受到影响。由北京航天航空大学的赵璐等人研究的串并联骨盆复位机器人。如图9所示。该机器人由五部分组成：包括串联平台组件、串并联连接组件、并联平台组件等组件构成[20]。该串并联机器人设计的原理是使用的骨盆固定方法中的外固定的方式固定骨盆，骨盆外固定的方式可以减少手术过程中创伤面，降低了病人受到感染的面积。图9：六自由度串并联骨盆骨折复位机器人该并联的机器人串联平台是由直线导轨和电动推杆组成的机构，该串联平台为三自由度平台。并联平台组件为三个直线导轨组成的机构，该并联平台为三自由度平台。两者相互结合而成的串并联机构能实现6自由度运动，该平台具有精度高、负载能力大等优点。但是该机器人的运动空间不大，不能与医生能够有效的互动，对于骨盆骨折部分只能起到小范围内的复位操作，对于机器人的复位操作也比较复杂，占地比较大，可能会影响医生的操作。综上所述，比较各种结构的骨盆骨折复位机器人发现，串联机器人具有结构紧凑，手术操作空间富裕等优点。但是串联机器人也具备末端负载过小等问题。并联机器人的结构过于庞大，机器人的工作空间十分狭小，控制系统复杂等缺点。并且有关的研究人员认为在手术主要还是使用外固定架的方式。使用并联机器人，这无疑直接限制了一个机器人不能对断骨远端、近端的夹持长度和形状，当患者身体出现其他不良因素影响下，会直接导致并联机器人无法正常进行工作。串并联混联这种类型的机器人在结构上完全融入了两种结构的各种优点，但是机器人还是会阻碍医生的操作空间，由于串并联机构上方还是使用的是并联结构，虽然解决了应末端机械臂负载过小的问题，但是这方式还是存在一定的额外损伤。随着科技的不断进步，对于串联机器人末端机械臂的负载过小情况有了很大程度上的解决，末端机械臂在空间上的定位越来越精准。因此，最后选用串联式的机器人结构来设计一款骨盆复位机器人。参考文献彭烨,张立海,唐佩福.严重骨盆骨折的治疗[N].国际骨科学杂志,2018-10-25：1561丁剑锋,朱东波，损伤控制策略在不稳定骨盆骨折合并四肢多发骨折治疗中的应用[J].黑龙江医药，2016，29（6）：1218-1220唐佩福,王岩.骨折手术学[M].第一版.北京：人民军医出版社,2013：849-1004孙剑伟，骨盆骨折合并骨盆部皮肤剥脱伤[C]:中国中西医结合学会骨伤科专业委员会,编.第十四届全国中西医结合骨伤科学术研讨会论文集.广州：中国中西医结合学会，2006年.472-475\o"李永军"李永军\o"刘明勋"刘明勋.CT引导下经皮骶骨螺钉内固定治疗骶骨纵形骨折[J].实用骨科杂志，2015，6：550-553DaviesBL,HibberdRD,CoptcoatMJ,etal.Asurgeonrobotprostatectomylaboratoryevaluation[J].JMedEngTechnol,1989,13(6):273-277.LiQH,ZamoranoL,PandyaA,etal.TheapplicationaccuracyoftheNeuroMaterobot-Aquantitativecomparionwithframelessandframe-basedsurgeicallocalizationsystems[J].ComputAidedSurg,2002,7(2):90-98.TaylorRH,MittelstadtBD,PaulHA,etal.Animage-directedoboticsystemforpreciseorthopaedicsurgery[J].IEEEransactionsonRoboticsandAutomation,1994,10(3):261-275.陈梦东,王田苗,刘达.机器人辅助微损伤神经外科手术系统的研究及其临床应用[J].中国生物医学工程学报,2000,19(2):145-151.袁凯，陈建庭.脊柱结核外科治疗植骨材料的临床应用与研究进展[J].中国矫形外科杂志，2013，20（21）：1957-1959桂海军，张诗雷.医用外科机器人应用和研究进展[J].组织工程于重建外科，2011，1：55-59岳龙旺,许天春,贠今天."妙手"系统机械结构设计与优化[J].机器人,2006,4(2):130-135.孙小刚.股骨干骨骨折复位辅助机器人系统研制[D].[硕士学位论文].江苏:东南大学,2016张肖在.四肢长骨骨折复位机器人研发及测试研究[D].[硕士学位论文].陕西:中国人民解放军空军军医大学.2019史刚,朱世磊,张自启,李钊。股骨骨干骨折复位机器人主从控制系统的设计[J],中国医疗设备,2018,33（07）：198-206韩晓