脑外科机器人控制系统的设计和实现

从无框架立体定向脑外科手术的临床需求出发，设计了微创神经外科机器人黎元BH 600的控制系统．分析确定了系统的控制结构及实施方案，对脑外科机器人的硬件和软件进行了设计，建立了脑外科机器人手术规划和控制平台．通过实验和临床应用结果，验证了该手术控制系统的高精度和稳定可靠性．     

面向微创手术的医疗外科机器人构型综合

在微创手术中，医疗外科机器人可以辅助医生精确定位和提供稳定的手术平台． 本文结合医疗外科机器人结构特点和手术适用范围，对适合微创手术的机器人结构进行了构 型综合分析．并以此为依据，设计出一种适用于神经外科立体定向手术的机器人，系统已经 应用于临床，取得了满意的效果．     

基于增强现实的脊柱微创手术导航系统

针对脊柱微创手术实际的临床导航需求,设计开发了一种基于增强现实的脊柱微创手术导航系统。在术前通过CT对患者脊柱病灶部位进行扫描和重建,将合适的脊柱模型导入Unity-3D平台中并为其添加控制脚本。使用标定球对手术器械进行标定,采用Polaris Vega光学追踪器实时追踪手术器械,建立手术器械与Polaris Vega光学追踪器之间的坐标转换关系,将识别到的手术器械位姿信息实时发送到HoloLens设备中,从而实现手术器械、病灶模型等医疗影像的同步显示。在术中为医生提供3维脊柱病灶影像的可视化显示,帮助医生实现病灶定位和手术器械导航。经过脊柱模型实验测试,系统导航误差小于2.8 mm,可以满足脊柱外科的临床应用要求。     

基于视觉定位的脑外科机器人坐标变换问题研究

视觉定位脑外科手术机器人是近年来发展起来的一种新型医疗机器人。该文首先介绍了整个视觉定位脑外科手术机器人系统的构成和手术过程,随后在传统的通过机器人机械臂点取病人头部四个标记点来建立机器人坐标系与患者头部仿射坐标系之间转换关系的基础上,引入视觉定位功能,通过双目视觉建立起机器人坐标系与患者仿射坐标系之间的关系,从而在根本上提高了系统的机器人坐标系,患者仿射坐标系,3维模型坐标系以及世界坐标系之间的转换精度,有利于进一步的机器人精确手术实现。     

脊柱微创手术机器人运动控制系统的设计

设计了一套医疗机器人系统用于辅助脊柱微创外科手术操作。详细论述了这款5自由度脊柱微创手术导航机器人运动控制系统的设计与实现。提出了具有创新性的步进电机细分驱动模式,将电机定子电流从方波形状转变成为了正弦波形状,消除了步进电机的步间振荡现象。利用传感机构实现了对机器人末端工具的位姿反馈,并以此构成了对机器人末端工具的闭环控制。通过CAN实现了数字信号处理器之间的网络互联。最后对该系统进行实验,结果验证了控制系统具有良好的可靠性和稳定性。     

连续体机构在单腔镜微创手术机器人系统中的应用

本文关注以腔镜技术实施微创手术的机器人系统,详细介绍上海变通大学密西根学院引进的科研团队在美国已经研制的和正在中国研制的微创手术机器人系统,重点突出这些微创手术机器人系统主要应用连续体机构的特点,并简要评析欧美等国将连续体机构用于微创手术机器人系统的研究现状以及此项技术的应用前景展望。     

超声导航微波消融辅助机器人技术的研究

针对超声导航肝肿瘤消融术的不足之处,研制了辅助微创手术的机器人系统.该系统由机器人本体、磁定位系统、超声图像处理系统、手术规划及人机交互系统组成.辅助机器人系统可协助外科医生精确定位消融针于目标病灶点,提高手术操作的精度和适形消融的能力,减少对医生经验的依赖,从而使超声引导下的肝肿瘤消融治疗建立在更加科学、可控和具有预见性的基础上,促进热消融治疗肿瘤技术在,临床的广泛应用.     

CT 导航微创外科机器人关节液压锁紧结构研究

分析了目前微创外科机器人关节锁紧机构的发展现状和存在的问题,讨论了机器人关节摩擦力 矩产生的机理以及影响摩擦力矩的因素．针对当前医疗机器人锁紧结构不足之处,基于关节摩擦理论,提出 并设计了三种不同形式的CT 导航微创外科机器人关节锁紧结构,分别阐述了它们的工作原理和实现形式．通 过对不同结构的性能对比实验,确定采用基于外摩擦环的机器人关节锁紧结构,并初步验证基于该结构的机 器人系统可以满足CT 导航微创外科临床手术需求．     

双平面导航机器人系统在不同骨科适应症中的应用研究

从双平面定位算法和模块化导航机器人两方面阐述了双平面导航机器人系统．该系统通过对映射算法和导航机器人结构的调整，来适应不同的骨科适应症．本文从工作空间、投影模型、定位算法、临床实验及评价指标等方面介绍了双平面导航机器人系统在胫骨髓内钉、股骨髓内钉、股骨颈空心钉和骨盆骶髂关节螺钉这四种不同的骨科手术适应症中的应用研究情况．     

计算机辅助骨科手术机器人技术发展及应用综述

肌肉骨骼系统在人体运动中起着至关重要的作用,这个系统的疾病通常会导致严重的长期残疾,是影响人类健康和活动能力的关键因素。计算机辅助骨科手术机器人系统已成为临床骨科中最重要和最具挑战性的系统之一,因为它们能够使用现代临床导航系统和机器人系统精确治疗肌肉骨骼疾病,具有有效降低辐射、减少医生体力等优势,成为解决传统骨科疾病的最佳选择之一。通过对机器人在骨科手术中的应用分析,重点介绍了骨科机器人的机构设计、导航技术、机器人控制、交互技术以及骨-机器人连接技术。在导航技术中,利用CT扫描设备获取图像和光学跟踪装置进行导航已成为主流。在机器人控制和交互技术中,既有遥操作,也有自动控制。借助文献梳理,进一步讨论了目前计算机辅助骨科手术机器人系统存在的问题及其未来发展。     

用于神经外科手术的磁共振图像导航机器人的兼容性研究

分析了磁共振图像导航微创外科手术环境对机器人的要求,提出了磁共振图像导航机器人必须满足的结构和磁共振兼容性方面的特殊要求.探讨了MRI导航机器人的构型设计及结构优化设计问题,实现了机器人结构兼容性设计.将机器人部件进行分类,并设计了相应的磁共振兼容测试方法.通过在各部件兼容性测试中对水模信噪比的测试,实现了机器人磁共振兼容性.     

基于核磁图像导航的前列腺针刺手术机器人

在对核磁共振图像(MRI)导航手术机器人设计需求进行分析的基础上,设计出一套可用于完成经会阴前列腺近距离粒子放射治疗手术的机器人系统.该系统具有5个自由度,通过核磁兼容气缸和超声波电机混合驱动,自主实现针体位姿调整和针刺操作.根据机器人系统动力学分析进行了驱动气缸选型.最后通过核磁兼容性实验和针刺精度实验,验证该机器人系统能够满足核磁兼容性要求,针刺精度为0.91mm.     

辅助腹腔微创于术的新型机器人“妙手A”

本文以自主开发的面向腹腔微创手术的“Microllzmd A”（妙手A）机器人系统为对象,研究包含主操作端和从操作端两大部分的主从式微创手术机器人各功能子系统的组成,并重点分析基于双路平面正交偏振影像分光法的立体视觉实现原理、实时主从运动控制的实现流程和手术仿真系统。多例大型动物实验的顺利完成验证了该系统的完整性及功能的有效性。     

医疗机器人专刊——国际微创手术机器人的现状和发展趋势

在近年医疗器械产品市场上；微创手术机器入异军突起，正当国内机器人专家学者们纷纷杂杂地探讨服务机器人该如何应用、推广、突破的时候，来自美国的达芬奇已经悄然打开了医疗微创手术的一片天地，产品覆盖了全球众多医院。     

沉浸式立体显示技术在临床医学领域中的应用

随着现代科学技术的快速发展,立体显示技术为临床医生的双眼视觉功能和临床应用场景,提供了现实模拟度更高的载体,并成为当前计算机视觉和临床医学领域共同研究的热点。在微创手术术前,与传统的平面显示技术相比,沉浸式立体显示技术能够提供更生动、准确的3维人体生理和病理影像,使医生更易于判断病变的层次、形状和血管等复杂结构及解剖关系;同时虚拟现实能够为医学培训及手术预演提供沉浸式的手术情境模拟,帮助医生高效地掌握手术技巧,提高医学术前诊断效率,从而进一步降低手术风险。在微创手术术中,基于增强现实的三维成像导航技术,能够将微创手术过程立体、直观地展现在医生面前,使术区各组织及其与手术器械间的位置关系和距离更加容易判断,同时通过叠加相同区域的术前检查影像,为手术提供实时的路径导航,实现精准微创手术。此外,在临床医疗资源共享中占据重要比重的远程诊疗领域,立体显示技术能够为远程诊断、线上会诊以及机器人手术等提供更为精确的深度信息,以及更多维度的图像信息,使医学数据的远程显示结果更具有真实性和实用性。现阶段立体显示技术在临床医学领域中也存在显示模式转换不舒适、三维重建图像信息缺失以及立体显示软、硬件系统带来的视觉疲劳等问题,但该技术在医学领域已经展露头角,在未来的临床医学进步中会成为不可或缺的一部分。本文详细分析了沉浸式立体显示技术在临床医学中的代表性应用,介绍了微创外科手术以及远程诊疗领域国内外的研究现状,从影像诊断、手术训练、规划与导航、治疗和教育培训4个方面,总结了立体显示技术在临床医学领域中的研究进展。     

达芬奇手术机器人系统技术分析

1引言 自上世纪90年代起,机器人辅助微创外科手术逐渐成为一个锓著的发展趋势。以AESOP、ZUES和da Virlci（达芬奇）系统为代表的外科手术机器人系统在临床上的成功应用引起了国内外医学界、科技界极大的兴趣。当前,以达芬奇为代表的微创手术机器人逐渐成为国际机器人领域的前沿和研究热点。     

微创手术机器人力检测与力反馈技术研究现状

在外科手术中力觉发挥着重要的作用,可以为医生提供组织刚度、肿瘤位置等信息,防止医生用力过度对正常的组织造成损害,在进行一些精细操作时可令医生施加合适的作用力.然而,现有微创手术机器人在克服微创手术诸多不足为医生提供巨大帮助的同时,却令医生丧失了与患者组织之间接触时产生的交互作用力信息,给患者组织带来了过度创伤和损害.为了使医生重新获得接触力信息,研究人员利用各种检测方法和反馈技术将力觉信息引入到微创手术机器人系统中,包括基于电阻和光纤的直接检测技术,基于位移和执行器输入量的间接检测技术,以及直接反馈和感知替代两种力反馈方法.本文对微创手术机器人力检测和力反馈两项关键技术的研究现状进行总结,并对这两项技术的发展趋势进行展望.     

基于“人-机-环”信息流的机器人手术系统研究与展望

机器人手术系统凭借微创、精细、灵活、无震颤等优势,在多个外科领域不断得到普及应用.然而,现有的机器人手术系统尚未充分发挥人和机器各自的优势,在智能化交互方面的表现有待提高.因此,文中首先从系统科学的角度分析机器人手术系统中交互关系的发展,并从多方面提出当前人机交互的不足.然后,构建面向机器人手术系统的“人-机-环”信息流框架,以机器人辅助乳内动脉获取手术场景为例,梳理“人-机-环”各部分之间的复杂交互.最后,基于“人-机结合”理论,结合构建的“人-机-环”信息流框架,提出以“人机融合智能共进”为目标的新一代机器人手术系统的设计思路,为实现更安全高效的机器人微创外科手术目标提供借鉴.     

RSSS-II 脊柱手术机器人系统开发及其实验研究

手术机器人应用于脊柱手术中,辅助医生完成脊柱手术中钉道定位、钻钉道等操作,有助于降低医生工作强度,保证了手术操作的精确性、稳定性和安全性.文章针对椎弓根钉内固定术,设计研制了脊柱手术辅机器人系统RSSS-Ⅱ.首先,从脊柱手术的临床需求出发,充分考虑术中安全性、手术区域覆盖范围、患者术中摆位以及对机器人占地空间等多方面因素,设计六自由度串联式手术机械臂以及力反馈钻骨装置.其次,以椎弓根钉内固定术中准确定位为目的,对机器人导航定位所涉及的关键技术展开研究,构建了图像导航定位系统.最后,通过精度测试实验和离体样本骨实验,对关键技术及系统的精度、安全性等进行原理性验证.实验结果显示,脊柱手术机器人系统RSSS-Ⅱ能满足手术对精度的要求.     

主被动混合式微创手术机械臂机构设计及灵巧度优化

研制出一款可开展微创手术的双机械臂机器人系统,该系统配合手术微器械可以实现精确的腹腔内手术操作.通过分析微创手术的手术环境及手术操作特点,提出了采用机器人开展微创手术对机器人自身机构设计的基本要求,并在此基础上重点对机械臂机构进行设计和优化.该机械臂可以按照微创手术的实际需求,实现机器人的术前摆位、术中器械操作及器械的快速拆装更换,并且可以从机构上保证术中器械在患者腹壁切口处位置不变,避免术中因手术器械运动而对腹壁切口造成非手术性损伤.此外,借助于机器人雅可比矩阵的奇异值,构造了基于条件数和可操作度的综合灵巧度评价指标函数,并采用序列二次规划算法对机械臂杆件参数进行优化.优化结果表明,机械臂具有良好的各向同性及可操作度,很好地满足了微创手术对机械臂机构灵活性的要求.