医疗机器人:当前系统和研究方向

文摘

第一次使用1985年医学上,机器人现在产生影响在腹腔镜检查,神经外科,骨科手术,应急响应,以及各种其他医学学科。本文提供了一个审查的医疗机器人的历史和调查当前医疗机器人系统的功能,主要专注于商用系统而覆盖几个著名的研究项目。通过检查机器人系统在时间和学科,趋势是明显的,意味着未来的医疗机器人的功能,例如,增加术中图像的使用,改善机械臂设计,和触觉反馈指导外科医生。

1。介绍

医疗机器人是导致治疗范式转变。最普遍的手术机器人,直观手术的达芬奇系统,讨论在4000多个同行评议的出版物,是通过美国食品和药物管理局(FDA)为多个类别的操作,并执行的根治性前列腺切除术中使用80% 2008年在美国,仅仅9年之后,系统就在市场上(1- - - - - -3]。医疗机器人的快速增长是推动技术进步的结合(汽车、材料、和控制理论),医学影像的发展(更高的分辨率、磁共振成像和3 d超声),和提高外科医生/病人接受腹腔镜手术和机器人援助。定期创建新用途医疗机器人,在初始阶段的技术革命。

美国机器人协会,在1979年,一个工业贸易组织,将机器人定义为“一种可重复编程的、多功能机械手设计材料,零件,工具,或其他专用设备通过各种程序动作的各种任务的性能。”这样的定义遗漏的工具和一个任务(例如,订书机),任何不能移动(例如,图像分析算法)和nonprogrammable机制(例如,纯手工腹腔镜工具)。因此,机器人通常表示为任务要求可编程运动,特别是那些动作应该快速、强大、精确、准确的,不懈的,和/或通过复杂的关节。缺点通常包括费用高、空间需求,和广泛的用户培训需求。医疗机器人的最大的影响已经在手术,放射治疗和组织操作在手术室,由精密,准确运动改善必要的工具。通过机器人援助,可以提高手术的结果,病人可以减少创伤,可以缩短住院时间,尽管机器人援助长期结果的影响仍在调查之中。

医疗机器人已经在各种论文回顾了1990年代以来(4- - - - - -7]。例如,许多这样的评论是特定领域的关注手术机器人,泌尿机器人,脊柱机器人等等8- - - - - -13]。概述医疗机器人背后的基础科学(例如,运动学,自由度,人类工程学、和远程手术)一起讨论泌尿道的机器人系统,看到Challacombe Stoianovici [14]。同样专注于手术,Kenngott等人提供最近的Medline metareview符合手术的结果腹腔镜(妇科泌尿道的,腹部)15),而戈麦斯涵盖了市场驱动和障碍16),而冈等人探索宏观社会驱动等问题,定量诊断和系统适应性/学习(17]。最近的报道医疗机器人在各个领域和Najarian等人的文章收集了罗森et al。18,19]。

本文概述了机器人在多个医学领域的影响。这项工作建立在上述论文通过提供一个更新的点评各种机器人系统,包括系统的改进(技术和监管)和制造商的变化由于公司收购。此外,作者的知识这个工作涵盖更多的广度在医学领域受益于机器人援助比其他任何单一的纸,从而提供了一个全局的观点如何提高医学领域机器人。虽然主要集中在商用医疗机器人系统和描述他们的进化的历史,还包括多个下一代系统和探讨他们的潜在影响在医学领域的未来。

2。神经系统

脑部手术涉及访问埋目标周围的组织,一个任务,受益的能力机器人做出精确的和基于医学图像的精确运动(18,20.,21]。因此,调查首次使用一个机器人在人类手术是在1985年对大脑切片使用计算机断层扫描(CT)图像和立体框架(22]。在工作,一个工业机器人定义活检的轨迹保持调查面向活检目标即使外科医生操作的方法。这个方向是由注册机器人通过基准点的术前CT立体框架连接到病人的头骨。中止项目机器人公司被收购后,出于安全考虑新拥有的公司,指定该机械臂(54公斤,能0.5 m / s运动)只是为了操作时由一个障碍的人分开。然后在1991年,密涅瓦机器人(瑞士洛桑大学)是为了直接工具实时CT指导下进入大脑。实时图像指导允许跟踪目标尽管脑组织肿胀,凹陷,或者由于操作转变。密涅瓦是停止在1993年因维的入侵的局限性及其实时CT(需要23]。

当前可用的神经外科机器人展览的目的类似于历史系统,即计算机辅助定位(图/套管定位或其他工具1)。NeuroMate(英国,以前综合手术系统,以前的创新医疗器械国际)有公司产品(CE)马克和目前用于FDA批准的过程(上一代被授予1997年FDA批准)(24]。除了活组织检查,系统对脑深部电刺激销售,立体定向脑电描记法,经颅磁刺激,放射治疗,neuroendoscopy。李等人报告造成的精度为亚毫米框架配置,相同级别的应用程序准确性骨钉与红外跟踪标记,和一个1.95毫米的精度无框架配置(25]。

(一)由英国NeuroMate

(b)由Prosurgics探路者

(c)文艺复兴时期Mazor机器人

另一个机器人系统,探路者(Prosurgics,以前阿姆斯特朗医疗有限公司),已通过美国食品和药物管理局对神经外科(2004)(26]。使用该系统,外科医生指定一个目标在术前医学图像和轨迹,和机器人指南仪器到位精确到毫米以下(27]。报告使用的系统包括指导针活检和指导训练使磨孔(28]。

文艺复兴(Mazor机器人,第一代系统名叫SpineAssist) FDA间隙(2011)和CE标志了脊柱手术,和大脑的CE标志操作(2011)(29日]。设备由一个机器人的大小苏打水可以直接安装到脊椎和提供了各种工具指导基于规划软件程序包括纠正畸形,活检,微创手术,和电极放置程序。文艺复兴时期包含一个附加为现有透视C-arms为术中植入的验证提供3 d图像位置。研究表明增加植入准确性和提供证据表明,文艺复兴时期/ SpineAssist可能允许更多植入物被放置经皮(30.]。

3所示。整形外科

在骨科机器人援助的预期的好处是准确和精确的骨切除术(31日,32]。通过良好的骨切除,机器人系统(图2)可以提高校准的植入骨头和植入物和骨之间的接触面积,增加这两个可以改善功能结果和植入长寿5]。骨科机器人迄今为止针对髋关节和膝关节置换或重修的(除了文艺复兴时期的系统部分2及其对脊椎的使用)。初始系统所需的骨头固定到位,和所有系统使用骨螺丝或销定位手术部位。

(一)机器人医生Curexo技术集团。

力拓灰鲭鲨外科集团(b)。

(c) iBlock Praxim公司。

蓝带(d) Navio PFS的技术。

由Stanmore植入物(e) Stanmore雕塑家

最初的骨科机器人援助是通过机器人医生(Curexo技术公司,最初由综合外科系统),在1992年第一次使用全髋关节置换术(5,33]。机器人医生获得了CE标志(1996),和FDA间隙全髋关节置换术(1998)和全膝关节置换(2009)(34]。使用机器人结合OrthoDoc,外科医生的手术计划,计划基于术前CT骨铣。在手术中,病人的腿夹机器人的底座,和第二夹定位股骨头自动停止如果腿移动机器人。机器人医生然后执行铣削自动基于手术计划。很多最初的尝试等涉及手术机器人自主运动,产生对病人和医生安全的担忧。为了解决这些担忧,机器人医生对所有轴力感应,以及基础力传感器在手腕35]。力传感用于安全监测,允许外科医生手动直接机器人手臂和刀具运动的速度变化的函数的力量在铣操作经验。

虽然不再出售,卡斯帕(计算机辅助手术规划和机器人)是另一个膝盖和臀部手术的机器人系统,介绍了1997年由OrtoMaquet,于2000年被Getinge收购,收购和停止由通用机器人系统在2001年(一致)。机器人是机器人医生的直接竞争对手。它自动执行骨钻从术前计划基于CT数据。

2008年,力拓机械手臂(灰鲭鲨外科集团,上一代被称为触觉制导系统)被释放和接收FDA批准。里约热内卢是用于植入的内侧和外侧unicondylar膝盖组件,以及髌股关节成形术(36,37]。作为趋势的一部分,远离自治机器人运动,力拓和外科医生同时持有手术工具,与外科医生对手术部位。手臂被设计成低摩擦、低惯性,这样医生就可以轻松移动工具,backdriving手臂的关节电机过程中(19]。手臂的目的是作为触觉装置在铣削过程,抵制运动以外的计划削减信封推回到外科医生的手。与其它整形系统,力拓不需要固定骨头,而不是依靠一个摄像系统来跟踪骨头针和工具术,瞬间注册计划削减信封病人在手术室。这个配置,系统已经承诺用作外科训练工具。

进一步降低机器人影响刀具的iBlock (Praxim Inc .骨科协同Inc .公司上一代Praxiteles, FDA批准2010)是一个自动化切割全膝关节置换指南(38]。iBlock直接安装到骨骼,防止机器人之间的相对运动和骨头,将削减指导外科医生使用手动执行平面削减基于术前计划。Koulalis等人报告减少手术时间和增加切割的切割精度而徒手导航块(39]。

Navio PFS(蓝带技术,CE标志2012)不需要unicondylar膝关节置换的CT扫描,而是使用术中规划(40,41]。钻工具跟踪过程中,钻头是收回何时离开计划减少体积。有限的信息可以在系统由于其最近的发展。

Stanmore雕塑家(Stanmore植入物,上一代Acrobot雕塑家Acrobot有限公司)是一个协同系统类似于里约热内卢,与活跃的约束让外科医生计划工作空间(42]。公司的“萨维尔街”系统裁缝个性化unicondylar膝盖植入病人,包含的3 d模型植入手术规划界面,和使用积极约束Stanmore雕塑家,以确保适当的骨表面的准备。系统目前没有FDA批准,但自2004年以来一直在欧洲使用。

4所示。一般腹腔镜检查

在1980年代之前,手术进行了通过相当大的切口,外科医生可以直接访问手术部位。在1980年代末,相机技术改善了足够腹腔镜(又名微创手术),使用一个或多个小切口的访问手术部位用工具和相机(43]。腹腔镜检查显著减少患者创伤相比,传统的“开放”程序,从而减少发病率和住院时间,但在手术任务的复杂性增加的成本。与开放手术相比,腹腔镜外科医生的手术部位受损的反馈(能见度和不能手动触诊组织)和工具控制是减少(由于支点效应和“镜像”运动自由度的损失工具取向)(16,44,45]。

软组织手术机器人援助在1988年首次完成使用工业机器人,积极消除软组织在经尿道前列腺(5]。与神经外科,研究者认为在手术室使用工业机器人是不安全的。研究的经验提供了动力系统,Probot,相同的目的46]。

4.1。宙斯

商业机器人腹腔镜系统开始使用计算机运动的伊索(1993年停产,FDA间隙)对内窥镜(47]。伊索是夹手术表或车,和移动语音控制下的内窥镜或允许的内窥镜手动定位。1995年,计算机运动结合两个tool-holding机器人手臂与宙斯伊索创建系统(停止,2001年FDA批准)48]。后,宙斯的武器工具遥控动作外科医生用仪器控制(也称为“大师”武器或操纵杆)在外科医生控制台。从技术上讲,宙斯并不是一个机器人,因为它并不遵循可编程的动作,而是一个远程计算机辅助遥控装置与交互式机器人手臂。改善刀具运动精度,宙斯过滤掉手震颤,规模大的手动作的外科医生短和精确运动的工具。被Marescaux et al .,宙斯在林德伯格操作,第一次手术(胆囊切除术)与外科医生和病人进行分离的距离几千公里(49]。

4.2。达芬奇

同时,直观手术inc .)正在开发达芬奇(最初的1995年FDA批准,图3(一个))。像宙斯一样,达芬奇是一个遥控系统,外科医生操纵仪器在控制台和控制机器人手臂跟着那些运动运动扩展和减少震颤。也像宙斯一样,达芬奇最初提供三个手臂两个工具和内窥镜,安装一个床边购物车。

(一)达芬奇Si病床边车

(b)达芬奇EndoWrist和控制器

(d) Telelap ALF-X,迄今为止,公司

图3

达芬奇系统提供了几个技术增强了宙斯。抓紧器工具有两个自由度在病人体内,EndoWrist(图3 (b)),一个增强清晰度,增加缝合的缓解和其他复杂的操作。控制台增加强调外科医生人体工程学和包含一个单独的屏幕上每只眼睛从3 d显示3 d视频内窥镜。外科医生的手的运动映射到动作的操作的工具,提供一个更直观的控制比“镜像”腹腔镜映射。2003年,直观手术开始销售第四个达芬奇的手臂,和直观的手术和计算机运动(中断宙斯)合并。

达芬奇系统是唯一的外科手术机器人与全世界一千系统安装和一直在卖四种模式:标准(1999),(2006),Si(2009),和Si-e (2010) (50,51]。S模型增加了图像分辨率,重新设计了病床边操纵者使multiquadrant访问,缩短安装时间。Si模型进一步提高视觉分辨率,精仪控制器,增加了人体工程学和易用性为外科医生提供的输入系统。Si-e模型3-arm系统全面升级到Si模型。达芬奇继续专注于改进的可视化,萤火虫荧光成像技术附加产品结合荧光染料和一个特殊的内窥镜下识别血管组织表面。

达芬奇最初清理一般腹腔镜检查,成为根治性前列腺切除术常用,现在通过FDA对各种程序(52,53]。即便如此,与大多数甚至所有的机器人系统,长期效益继续是不确定的15,54]。增强的内窥镜可视化和增加清晰度一般被认为是改善工具,但批评者指出系统的费用(1美元和2.3美元之间),减少病人访问由于空间周围的武器接管/病人,和所需的大量的培训最好的结果(55,56]。解决这最后一点,Si模型还允许双重控制台使用培训和协作,游戏机得到相同的图像和合作可以控制仪器(57]。此外,达芬奇技能模拟器是一个附加的例子,可以使用Si或Si-e控制台在虚拟环境中实践操作(58]。

为了进一步减少创伤病人,外科医生正在探索广泛访问(SPA), LaparoEndoscopic单手术(少),和自然管壁的内镜手术(NOTES) [59,60]。为了满足这种需求,直观手术最近开发了单达芬奇平台Si模型。单站点平台通过两个半刚性的工具和内窥镜通过一个多通道的端口,减少切口的数量但防止EndoWrist清晰度(61年]。

4.3。徒手画的

徒手机器人(徒手2010有限公司以前徒手手术,以前Prosurgics,上一代被称为EndoAssist, FDA间隙和CE标志2009)是下一代内窥镜持有人。臂(图3 (c))更紧凑,更容易设置,和更便宜的比其前任。此外,内窥镜运动是由外科医生温和的头部运动的控制,与光学跟踪系统。

4.4。Telelap ALF-X

迄今为止,焦燕雄。一个开发了Telelap ALF-X (CE标志2011,图3 (d)),一个十字型手术机器人系统,与达芬奇[竞争62年]。系统使用眼动控制内镜视图和使激活的各种乐器。达芬奇相比,系统移动机械手的基础从床上(约80厘米),一个现实的触觉传感能力由于专利的方法来测量技巧/组织力量之外的病人,灵敏度的35克。系统已经用于动物试验证明显著减少胆囊切除术的时间比“传统telesurgical系统”(62年]。

5。经皮

Noncatheter经皮过程采用针、套管和探针活检,排水,药物输送,肿瘤破坏。在的过程中,准确定位可以减少软组织发生的位移由于病人呼吸,姿势的变化,在插入或组织力。两个选项引导针其目标是组织为针指导术中影像和三维建模(63年]。不幸的是,组织建模过于复杂(64年]。因此,后一种方法后,InnoMotion(辛迪思公司,以前Innomedic GmbH, CE标志2005)是一个机械臂设计范围内进行CT或磁共振成像(MRI)机(65年- - - - - -67年]。MRI-compatibility臂(图4(一))是气动驱动和关节感应是通过MRI-compatible编码器。

(一)InnoMotion辛迪思公司。

(b)由趋实体性尼俄伯

(c) X汉森医学博士

6。可操纵的导管

血管导管用于诊断和治疗各种心脏和血管的疾病,包括直接压力测量,活检,对房颤消融,对阻塞血管成形术(68年- - - - - -70年]。导管插入血管,部分病人外部操纵手术部位的导管顶端移动,而透视图像提供了指导。由于支持组织,导管只需要三个自由度,一般:提示弯曲,提示旋转,和插入深度。可能的好处robot-steered导管短程序,减少部队对脉管系统的导管,导管定位准确性,增加和遥操作(减少辐射暴露的医生)71年]。

唤醒X(汉森医疗,FDA间隙和CE标志2007,上一代老师,图4 (c))使用两个可操纵的鞘,一个内,创建一个紧密的弯曲半径(72年- - - - - -74年]。鞘是引导通过滑轮的遥控系统。智能感知力量感应允许常数轻轻接触力的估算脉冲导管一小段距离的可操纵的内护套和测量导管的部队在近端端。这些力量是传达视觉以及通过振动反馈的外科医生的手“3 d操纵杆”。Corindus CorPath 200的直接竞争对手是唤醒X,但还没有商业化。

尼俄伯(趋实体性,CE标志2008年,FDA批准2009)是一个远程磁导航系统,一个磁场用于指导导管尖端(75年]。两个永磁体所产生的磁场中包含外壳两侧的透视表(图4 (b))。外科医生操作操纵杆来指定所需的导管尖端的取向,造成计算机控制下磁铁的方向改变,从而控制磁场。第二个操纵杆控制进步/收缩的导管。春等人报告显著改善手术结果由于先进的磁导引导管的设计(76年]。

7所示。放射治疗

放射治疗是一种治疗(不是手术),聚焦光束的电离辐射是针对病人,主要治疗肿瘤(77年,78年]。引导光束通过肿瘤在不同方向,高剂量辐射传递到肿瘤周围组织时收到显著减少辐射。实时组织跟踪之前,使用立体定向放射外科治疗大脑实际上是局限于框架安装在头骨骨螺丝。现在,实时组织跟踪是可行的,系统是商用。

射波刀(Accuray公司,FDA批准1999,图5(一个))是一种无框架放射治疗系统组成的机械手臂直线加速器,六自由度机器人叫做RoboCouch病人表,和x射线成像系统,可以实时图像在两个正交方向的同时79年,80年]。两个同时,术中x射线图像并不足以提供良好的肿瘤的定义,但用于注册一个高清术前CT图像。机械臂可以预先计划的辐射剂量提供范围广泛的方向。治疗期间移动的目标(例如,由于呼吸),可选同步系统光学跟踪组织表面,相关组织的运动表面附近radio-opaque基准插入的运动目标,从而不断预测目标运动(81年]。术中跟踪可以不再需要一个立体框架,减少创伤病人,使其实际分离较长时间剂量。

(一)由Accuray公司射波刀。

(b)诺瓦利斯与TrueBeam STx BrainLab inc .)和瓦里安医疗系统

诺瓦利斯与TrueBeam STx (BrainLab inc .)和瓦里安医疗系统,以前诺瓦利斯三部曲,最初2000年FDA批准,人物5 (b))也是一个无框架系统线性加速器,但随着micro-multileaf准直仪对光束整形82年- - - - - -84年]。类似于射波刀,术中x射线与CT比较,和skin-mounted基准光学实时追踪。交付系统还包括锥束CT。病人进入位置的六自由度机器人的沙发上。射波刀与诺瓦利斯之间主要的区别是,射波刀辐射源有更多的自由度是面向病人,而诺瓦利斯可以塑造辐射梁和索赔out-of-field剂量减少85年,86年]。

8。应急响应

一些医疗机器人系统适用之外的手术室,尽管大量研究经费在救灾和战场医学医疗设备。典型的这类研究的目标包括提高提取病人从危险的环境中,受伤的快速诊断,和半自治提供拯救生命的干预措施。当前应急机器人多单发动机系统,但这些系统可以由卫生监督控制减少必要的注意,紧急救援人员。这样的反馈控制使它更有可能的是,这样的系统将自动,例如,自动体外除颤器。

AutoPulse +(由Revivant海关医疗公司,之前)是一个自动化,便携设备相结合的功能AutoPulse(2008年FDA批准,图6(一))心肺复苏设备和E系列监控/除颤器(FDA批准2010)[87年,88年]。组成的包含一个电池驱动电动机,启动half-backboard胸部乐队,乐队有节奏地AutoPulse收紧进行胸外按压。乐队在按压的紧张是一个函数的病人的胸部大小,休息调整interpatient可变性。与此同时,E系列监控/除颤器措施实时的速度和深度胸外按压和过滤器心肺复苏术工件从心电图信号。如果加上一个自动电池驱动的通风机,例如,SAVe (AutoMedx Inc ., 2007年FDA批准),基本的心肺应急治疗可以自动在电池供电。

(一)AutoPulse海关医疗集团。

(b) LS-1综合医疗系统公司。

LS-1“手提箱重症监护室”(综合医疗系统有限公司,上一代叫助理医生1000年,上一代称为LSTAT, FDA批准2008年的人物6 (b))广泛的移动式生命支持措施(89年]。系统包含一个与氧气和二氧化碳监测通风机,心电图,侵入性和无创血压监测、流体/药物输液泵,温度传感和测量血氧水平。LS-1电池供电的,可以由设备或车辆的电力来源。远程控制系统是fda的诊断和治疗能力。

9。假肢和外骨骼

微处理机控制假肢出现自1993年以来,特别是智能假肢膝关节(底盘。a . Blatchford & Sons)。今天几个微处理机控制假肢存在,主要为膝上假肢,假肢,外骨骼。例如,一个当代膝关节假体是C-leg(奥托博克,FDA批准1999,CE标志)旨在自动调节摆动阶段动力学和提高稳定性在立场阶段通过控制膝盖弯曲(90年]。假肢手的一个例子是人工机械手ultrahand(触摸仿生学,先前版本人工机械手的手,FDA间隙和CE标志),第一个商用假肢手有五个单独的数字,通过肌电的信号由控制肌肉的剩余部分病人的肢体(91年]。轮椅使用者,“重新行走”(阿尔戈医疗技术,2011年FDA批准,CE标志2010)是一个援助外骨骼,允许用户站,走走路,爬楼梯和与一个腕带式远程控制和姿态检测传感器(92年]。重大外骨骼的研究正在进行,如研究上肢外骨骼,罗森和佩里93年]。为进一步的信息领域的假肢,外骨骼看到通过Kazerooni [94年和避风95年]。

10。辅助和康复系统

辅助机器人系统的设计是为了让残疾人更多的自治权,它们涵盖了范围广泛的日常任务。1992年,方便1(康复机器人有限公司)成为第一个商业辅助机器人(96年];它与不同的托盘任务诸如吃饭、剃须,和绘画,它是由一个开关控制输入选择所需的行动。一个特定于任务系统是整洁的人(简洁的解决方案有限公司)、模块化设备,勺食物从一个盘子一个人的嘴巴,并且可以手动或通过头或脚开关控制。更一般的系统依赖于与许多自由度手臂,如精确动力学”的机械手臂iARM竖起两指的抓紧器,高度电动轮椅,可以通过键盘控制,操纵杆,或单一按钮。

康复系统可以辅助系统类似,但旨在促进复苏提供治疗和测量病人的进步,经常中风后(97年]。移动系统(Myomo, Inc .)是一种可穿戴的机械设备,移动病人的手臂在他/她的肌肉信号,从而创建反馈促进肌肉再教育。InMotion(交互式运动技术,基于MIT-MANUS研究平台)是一个机械手臂移动,指南,或者扰乱病人的手臂在一个平面工作区,在记录动作,速度,力量评估进展(98年]。有关研究成果的信息,看到Dallaway et al。99年]30辅助和康复系统的概述,如主II系统使用轨行机械手臂进行手动控制,遥控,或者为各种国内和办公室任务预编的动作One hundred.]。困难发展中康复机器人和未来潜在的使用调查[切101年]。

11。目前医疗机器人的研究和开发

更多的医疗机器人目前正在研究[16,19,21]。这样的研究将导致未来商业系统的新功能。本节讨论几个值得注意的系统。

11.1。乌鸦和MiroSurge

两位杰出的学术符合手术系统是目前用于研究内镜远程手术:乌鸦二世和MiroSurge。乌鸦II(华盛顿大学和加州大学圣克鲁兹)是一个遥控腹腔镜系统,旨在最大化[基于客观的临床外科性能测量102年- - - - - -104年]。系统有两个患者端武器与7 cable-driven自由度。手臂运动学是基于球面机制这样的工具总是通过远程中心(例如,微创手术的插入点)。的长度和角度的链接整个工作空间进行了优化,从而最大限度地提高性能。手臂更轻,小,便宜比目前腹腔镜机器人系统。仪器控制器触觉设备,允许在操作员的手基于力反馈工具力量或虚拟设备(例如,禁止地区)定义对病人解剖(见[105年- - - - - -107年触觉技术对手术的影响)。遥操作实验已经进行了乌鸦,包括路由通过一个无人机数据传输。2012年2月,五个系统是提供给其他手术机器人研究实验室进一步促进合作和开发工作。

在另一个内窥镜的研究努力,德国航空航天中心(DLR)发展MiroSurge高度通用的对外科领域,arm-mounting位置、数量的机器人,不同的控制模式(例如,位置控制与控制的力),和与其他技术集成的能力108年]。基本的机器人系统的期望是持有专业仪器,如DLR的云母仪器(这本身就是一个机器人工具和3自由度力传感)(109年]。通过使用一个通用机器人基地举行专门的机械仪器,有自己的汽车,传感器和控制电子产品,同样的基本系统可专门用于各种程序只需切换工具。群众基础机器人,DLR米罗,10公斤3公斤有效载荷和串行运动学,像人类手臂的运动学,关节范围和链接长度优化基于某些医疗程序(110年]。不像乌鸦II,米罗的手臂没有远程中心的运动,因此必须控制直接仪器通过任何插入点,但更容易能够处理移动插入点(例如,通过呼吸作用中,胸壁)。

11.2。Amadeus

泰坦医疗公司目前发展中Amadeus十字型腹腔镜手术机器人系统,与直观的外科达芬奇系统的竞争。Amadeus使用蛇形的multiarticulating武器来提高可操作性,和所设计的系统是促进远程手术的遥控操作。人体试验计划于2013年底。

11.3。NeuroArm和MrBot

至少有两个著名的研究体系正在调查改善MR-compatible机器人。neuroArm(卡尔加里大学麦克唐纳Dettwiler和同事,其次是音利)是一个双臂,mri引导下神经外科机器人通过压电马达驱动(111年,112年]。neuroArm末端效应器配有3自由度力光学传感器,精确到几十微米。MrBot(约翰霍普金斯大学)是一个平行连杆臂用于mri引导下前列腺的访问,通过新颖的气动驱动步进电机降低干扰先生(113年]。

11.4。TraumaPod

TraumaPod (SRI国际领导的高度协作)是一种半自治的远程机器人手术系统设计为快速部署(114年]。外科细胞由外科手术机器人(达芬奇为第一阶段测试),擦洗护士子系统、工具架系统,供应配药系统,病人成像系统(可移动x射线管),前任上述LS-1(“手提箱重症监护室”),和监督控制器系统。肠的TraumaPod已经证明成功的遥操作关闭和分流安置在没有人类的幻影外科细胞。成功意味着潜在的增加自动化在手术室,虽然挑战是在灭菌报告,麻醉,和鲁棒性。

11.5。中心地带

心脏手术机器人一直是目标和各种系统继续调查如何最好地治疗心脏疾病,尤其在心脏跳动(例如,看到部分6)[115年]。中心地带(心脏手术)是一种微创机器人使用吸入爬心脏的表面(116年,117年]。系统是专为intrapericardial药物输送、细胞移植,心外膜心房消融,和其他类似的程序。

11.6。机器人在活的有机体内

各种团体扩大和探索达芬奇系统的方法来提高手术通过增加工具的灵活性在病人体内。内布拉斯加州大学的一个这样的例子是腹腔镜机器人系统为研究单手术(118年]。具有六个自由度的系统有两个武器,这些武器完全插入到腹部。期望是,通过增加工具的灵活性在病人体内,将需要更少的切口插入仪器,因为多个工具/武器可以通过一个切口,然后分散在病人体内。此外,机器人技术的小型化减少了处理困难(周围)系统在手术室。有限数量的动物试验(结肠切除术)进行演示的可行性。

可食用胶囊把病人创伤减少到一个极端,但当前系统仅限于诊断使用。核心温度测量已被FDA清除自1990年以来,由CorTemp(总部公司,以前HTI技术)。最近,胶囊内窥镜系统(药丸摄像头成像与FDA批准2001,并由奥林巴斯EndoCapsule与FDA批准2007年)由一个前瞻性的广角相机进行定期定时的图片,一个电池,灯,所有包含在一个胶囊(119年,120年]。SmartPill (SmartPill Corp ., 2006年FDA批准)利用多个传感器测量压力、pH值、胃排空时间,肠道排空时间121年]。麻子(射频有限公司)是一个新颖的设计,不是FDA清除,使用胶囊内lateral-facing相机旋转图像整个呼吸道和设计没有电池,而不是依靠外部应用磁场感应电源(122年]。对于未来,提出了许多改进,包括活检、实时定位的胶囊,药物输送,超声成像,由电诱导蠕动增加蠕动,利用一个活跃的运动系统涉及踏板或腿(123年]。

在一个更引人注目的方法在活的有机体内机器人、微/纳米技术是一个数十亿美元的研究领域124年,125年),包括调查等各种医疗机器人使用廉价的直接药物运载工具、无线电控制生物分子,组织显微操纵平台,人工机械白细胞,和许多其他治疗方法,可能受益于机器人工作在细胞水平上(126年- - - - - -129年]。功能系统的建设是一个持续的研究领域,特别是关于生成和驱动运动。许多目前的原型是推动和引导通过磁场,尽管一些利用外部电气能源(130年,131年]。作者的知识,任何医学临床试验还没有开始微/ nanorobot。

12。讨论

医疗机器人是一个年轻的和相对未开发的领域通过技术进步在过去的几十年里。目前系统已经用于太短时间允许长期研究。医疗机器人提供的好处也不可能完全理解。医疗机器人只有通过一些技术代和技术不断变化和跳跃到新的领域。但通过观察当前的市场和具有代表性的研究系统,可以猜测关于机器人在不远的将来,将医学的影响。

在手术机器人,有趋势远离自治甚至半自治运动,向协同操作和虚拟设备。因此,机器人作为指导工具,提供信息(也可能是物理推动)让外科医生的目标。这样的使用需要准确定位组织的手术部位,即使组织在手术操作。改善成像系统(例如,探险家,探路者的术中软组织追踪治疗(132年])或机器人与MRI或CT将提供本地化的兼容性。特别是mri引导下的机器人将受益于术中3 d图像的软组织对比度和准确的登记和工具之间的组织,从而允许精确的虚拟设备,“状态”和“对峙”的行为。此外,这种成像技术将允许模型和快速原型/夹具/植入的患者模板。

物理设计的医疗机器人将继续改善,减少费用和大小,同时最小化或补偿等nonidealities弯曲,例如,CRIGOS机器人(133年]。有更好的物理设计,半自治的行为可能会变得更加有用。“宏”可能成为家常便饭,外科医生按下一个按钮,机器人执行预定的运动,如通过责任者之间的缝合针,或老师的autoretract功能(13]。

机器人将会看到更多的用于医疗培训的目的,由于改进培养模型功能,增加客观性的医疗评估,通过先进的计算机模拟,由于增加了数据挖掘产生自然从改善机构之间的数据和设备之间的连接。一些这样的系统已经可用,如前面提到的达·芬奇技能模拟器,由Laerdal虚拟输液模拟器,通过CAE EndoscopyVR手术模拟器。出于同样的原因,机器人将继续使可能的新医疗程序和治疗,如新的广泛访问程序。

尽管机器人开发新的医疗领域,其他工具可能侵占医疗需求目前由机器人。医疗机器人必须在改善医疗结果建立一个坚实的基础,否则被制药流离失所,组织工程、基因治疗和快速创新在手动工具(如蜘蛛TransEnterix手术系统,和EndoStitch Covidien)。为此,改善医疗医疗机器人必须解决和解决实际问题,最终提供一个明确的改善的生活质量相比的替代品。

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