触觉技术的进步,触觉传感,符合微创手术操作,非侵入性手术和诊断

文摘

医学实践和医学技术的发展总是同时进展。相对较近的内窥镜技术的发展允许实现“微创”手术。机器人技术的进步促进精确手术通常是结合医学图像制导能力。这反过来推动技术的进一步发展,以弥补独特的复杂性产生的新格式,提高性能和扩大的范围可以执行程序。医疗机器人一直是这种发展的一个核心组成部分由于高度合适的特征,一个机器人系统可以声称,包括高度optimizable机械构造和程序的能力辅助函数在医疗机器人外科医生执行安全、准确的微创手术。此外,结合课本干预与touch-sensing和医学成像技术可以极大地提高可用的信息,从而帮助确保微创手术继续获得声望和呆在现代医学技术发展的重点。本文提出一种先进的审查为微创和无创手术机器人系统,精确的手术,诊断,和相应的技术。

1。介绍

根据程度的侵袭性手术,大约有三个主要类别:侵入性程序也被称为开放手术,微创手术,和非侵入性程序。

微创手术(MIS)是一种手术旨在提供极大的好处在传统开放手术病人通过最小化不必要的创伤引起的过程中执行医疗过程。除了少创伤、疼痛、失血,疤痕,和更好的手术美容,这些差异导致对病人较短的恢复时间和降低并发症的风险1]。然而,这也证明,这种方法带来了大量的临床工作人员执行相应的困难。这些困难是由于高度有限的空间,使用专门的工具需要进一步的员工培训和适应,并大大减少了视觉和触觉信息。

尽管上述缺点,MIS继续得到普及和广泛使用(2]。主要因素在这继续采用相应的医学发展工具和设备用于MIS。医疗机器人技术已经应用于管理信息系统;机器人平台尤其适合由于其良好的特点。这些特征包括精度高、可重复性和设计专业的可能性机制可以应用于特定程序和器官。此外,医疗机器人可以把传感器返回触觉和力信息,也可以结合医学影像技术允许自治,半自治,或遥控控制,可以提高手术的性能和MIS的范围。此外,通过结合新兴的成像技术和非侵入性的方式,更精确,成本效益和可移植的治疗工具可以成为可能。医疗机器人技术已经使用了大约30年;第一代医疗机器人被用作工具持有人和定位器,在活跃的发展医疗机器人在1990年代早期(3]。尽管这种技术已经存在了三十年,医疗机器人尚未广泛采用控制的局限性和应用程序的风险很高。相关的法规和标准,特别是对于活跃的系统,旨在成为动力在一个过程中,必然是要求,标准的开发时间很长。也被医学界的认可和外科医生的问题,谁仍然视图与不信任任何分离技术,将创建一个外科医生的手术。一些系统看到了商业上的成功;这些远程操作或半自治,严格控制机器人的仍然是与临床医生以外,在某些情况下,在一个高度受限的函数,可以监控。

医疗机器人技术和设备当前的趋势正在开发用于管理信息系统和非侵入性手术(NIS)是进一步增加与高度函数专用设备的设计的应用范围,可以结合医学成像技术。MIS的另一个趋势是开发系统返回触觉和力信息来辅助手术或诊断提供更多的信息的目的。介绍了机器人系统的管理信息系统的发展,走向自治更少但是更form-specialized系统,研究和发展触觉技术在医疗机器人技术,并从MIS对imaged-guided NIS的趋势。

2。MIS机器人及其技术

2.1。从MIS开放性手术机器人手术

大多数第一代医疗机器人是为MIS设计工具的定位,精度高和可重复的运动给了他们一个重要的优势(19]。一些开放手术,如全髋关节置换术(20.],也受益于这些精确的系统,主要目的是为了增加人类的性能精确的外科医生骨加工程序。工具定位器是重要的在MIS程序本质上是更加难以执行;这些类型的机器人外科医生(本质上减少负担21]。整形手术是第一类型的医疗过程中医疗机器人开发所需的特定功能发挥积极作用在一个操作。许多机器人开发的意图整形手术的80年代和90年代是自动化在手术过程的一部分。这些“积极”或自动机器人将实施术前计划基于术前成像技术,如核磁共振成像(MRI)或计算机断层扫描(CT),然后执行操作没有输入的外科医生。认为,机器人的使用以这种方式将改善的总体结果手术通过增加植入位置的准确性。此外,机器人特别适合这个应用程序由于nondeformability骨头,相对简单的任务,以及微创方法做了膝盖手术外科医生特别具有挑战性。商业机器人为这项任务包括开发的机器人医生(集成系统)和卡斯帕(波尔西Maquet)。机器人医生的发展始于1980年代,1992年首次人体试验显示显著改善手术结果在人类进行手术(使用这个系统,22]。

2.2。人类控制机器人协助手术

应用程序的自动化机器人发现了软组织产生一个特别的挑战由于组织可变形性(23]。这意味着成像注册过程与机器人的病人术前图像也不足以保证位置精度在整个过程在安全范围内。作为一个解决方案,术中成像或变形组织模型可以用于与术前计划实现实时控制;然而,这是一个非常具有挑战性的技术问题(24,25]。自动机器人的另一个问题是,没有机器人系统可以保证100%安全,人工智能和机器人没有足够先进的机器人可以负责一个错误。这是一个责任问题,关注制造商和导致了MIS技术转向nonautomated远程机器人系统。远程机器人系统实际上是主从平台的外科医生直接控制机器人机械手的作用。提供视觉反馈通过内窥镜视力和结果优于微创程序通过使用双目视觉,震动过滤和动态扩展。

远程手术的概念实际上分开开发自动化的手术机器人和最初的愿望推动下治疗严重受伤的士兵在前线附近。DARPA下的第一个手术远程机器人系统开发先进战斗伤亡保健计划在1990年代早期(26]。这些类型的系统更先进和复杂的例子是直观的达芬奇机器人手术。http://www.intuitivesurgical.com/),泰坦医疗公司Amadeus系统(http://www.titanmedicalinc.com/),计算机运动的宙斯Inc .(2003年获得直观的外科手术)。传统的MIS技术的使用在这些系统中,几个机械手臂控制内窥镜仪器,和一个额外的手臂指南腹腔镜镜头;武器过于僵化和电缆驱动的。外科医生操作机器人通过两个手的主人从一个控制台工具和踏板控制或语音控制(宙斯)腹腔镜的手臂。达芬奇系统,外科医生可以查看通过取景器手术部位,产生pseudo-3D图像。达芬奇系统如图1还包含“endo-wrists”,一个特殊的功能,提供了两个额外的自由度(自由度)的干预和显著增加了易用性,尤其是对切割和缝合操作(4]。其他例子的微创程序执行的达芬奇系统包括心脏手术,泌尿外科手术、前列腺切除术(27]。

腹腔镜和内窥镜技术目前主要由多端口的访问方法,模拟传统的手眼协调能力与一个instrument-stereovision系统。这些技术需要多个港口管理信息系统工具插入病人的身体。甚至对微创技术,外科医生逐步转向广泛访问(SPA)管理信息系统,机械手臂的协助下和计算机辅助设备在手术室。水疗可以减少切口并发症多端口(28- - - - - -30.]虽然水疗带来了重大挑战内窥镜仪器由于可操作性的设计约束通过一个单独的端口。

2.3。手术机器人与并行机制

大多数的机器人机械手用于微创或非侵入性医疗干预串行结构。串行结构机器人的优势提供一个较大的工作空间、高灵活性、高机动性;然而,他们遭受低刚度和定位精度较差。为了解决与串行结构相关的缺点,最近更多的关注并行结构机器人,由于其简单、有效载荷能力大,位置精度和高刚度。第一个并行平台是由斯图尔特在1965年(31日)的平台是由一个固定的基地,一个活动平台,六变长驱动器结合基础和平台。

近年来,一些并联机器人结构的设计开发各种各样的医疗程序。布兰德等人开发了一个紧凑的图像引导整形外科手术的机器人系统(CRIGOS)组成并联机器人和计算的核心计划并行平台的外科干预和控制(32]。Tanikawa和Arai开发出一种灵巧精密控制系统基于并联机构,并利用其进行显微外科在一些其他任务(33]。Merlet开发出一种微型机器人(MIPS)并联机械手。手术工具的三自由度系统允许精细定位和作为一个活跃的手腕的尖端内窥镜(34]。2003年,Shoham等人开发了一种微型机器人外科手术(火星),这是一个圆柱形的6自由度并联机构。火星被证明有能力被用于各种外科手术包括脊柱和创伤外科,手持手术机器人的精确定位和取向是感兴趣的35]。Maurin等人开发了一种5自由度并联机器人平台计算机经皮与力反馈和自动程序patient-to-image针(登记36]。蔡和徐发达一个平行在立体定向神经外科手术机器人精确的颅骨钻孔操作(37]。如前所述,并行机制的一个主要缺点是他们的限制比串行连接机器人工作空间。在神经外科手术中,工作区位于颅骨表面位于一侧的机器人。蔡和徐分析了这种不对称的工作区,发现最优相对位置的头骨和并行机制来确定最大工作空间的头骨(37]。

最近的事态发展在平行结构的使用医学干预措施包括罚款等工作。5),作者设计了一个双臂眼科手术机器人使用平行结构机制(图2(一个))和高精度(< 5μ米)。他们的平台是用于血管管子和支架部署在动物模型。费舍尔和他的同事们在WPI发展为前列腺MRI-compatible并联机构机器人近距离放射疗法和神经外科的应用程序(6,38]。图2 (b)显示了一个原型的外科机械手,底部图说明前列腺干预的基础平台。这个平台包括四自由度并联机械手结合型三针司机提供翻译、针旋转,和探针收缩,因此总共提供7自由度针运动(6]。

并联机器人目前正在设计和许多其他团体利用针手术,包括针手术的动力学模型和控制并联机器人“PmarNeedle”报道D 'Angella等人(2011年39]。最近工作Salimi等人报道了一个四自由度并联结构的开发和测试平台,用于协助mri引导下的心脏内的干预,尤其是主动脉瓣植入(40]。Salimi等人的工作是第一个努力已经在文献中报道,使用并行平台微创心脏内的干预措施(40]。

医疗机器人的紧凑和轻便的设计与并行机制节省必要的操作和存储空间,简化机器人在手术室的搬迁。结构紧凑允许容易消毒的方式覆盖机器人和一个封闭的褶皱,及其相对较小的空间也是一个重要的安全特性。并联机器人,如果设计正确,比类似的系列机器人可以提供更高的精度,因此他们很适合应用于眼科41和整形手术42),细胞操作(43],micropositioning [44,45]。

2.4。人类控制机器人显微外科

第一个开发眼科手术是显微外科手术机器人机械手开发西北大学(46]。这个远程机器人系统设计驱动微吸管通过皮下注射针的内腔。系统通过控制轨迹球大师,可以针对视网膜血管的内部直径20微米。自世纪之交以来,远程机器人系统的更多的例子出现在文献中。约翰霍普金斯大学眼科手术强调把稳机器人运动扩展在震动过滤和定位解决5到10微米(见图3(一个))[7]。乌鸦发达华盛顿大学的7自由度电缆驱动机械手控制的幻影触觉控制接口(理智的Technologies Inc。)和包括腕关节像达芬奇系统,并且有潜在的触觉反馈(47]。在苏黎世联邦理工学院,已研制出的一种无线系统提供药物进入视网膜血管(48];这是一个“微型”,只需要一个切口在巩膜壁。远程机器人系统称为卡内基梅隆大学开发的中心地带,它使用吸水垫依附心外膜和推动本身使用小型机载压电马达(49]。

2.5。无线信息系统机器人

无线机器人系统可以达到目前在人体成为微创机器人系统的一个新分支。很多这些系统的例子可以发现在胃肠道(GI)应用程序。小肠的礼物一个漫长而复杂的环境,在胃肠道内窥镜程序。通过执行传统的胃肠道手术,病人抱怨疼痛和不适,临床医生面临的技术困难参与导航仪器。因此,机械设备(如成像公司给出的药丸摄像头由短而薄,可以插入到胃肠道,纷纷在自己的意志。药丸摄像头还包括一个小型照相机,led,射频发射机,但运输使用人体自身的消化过程。“尺蠖”设计,由Quirini et al。50),如图3 (b),是一个相当流行的解决方案虽然腿microbot也被使用。其他受欢迎的驱动机制也一直在探索,例如那些由外部磁场,提出的王、孟(51),Ciuti et al。52和留置权等。53),或混合由内部/外部驱动执行机构(54]。

3所示。使用机器人的触觉和触觉传感MIS

医学触觉是一个欠发达的研究领域,是慢慢地获得注意力(55]。的动力主要源于遥操作和其潜在的崛起作为研究工具(56]。目前大多数研究工作重点促进触觉反馈医疗工具来辅助操作,尤其是管理信息系统。触觉系统越来越广泛应用于外科手术培训模拟工具行为医学实习生(57]。在过去的15年左右,医学触觉系统已经用于医疗培训通过触觉模拟或改善医疗工具的功能在微创手术通过力反馈58]。

3.1。手术模拟和训练

发展触觉手术模拟器是由传统方法的局限性的外科训练。一般来说,教学的方法是在两个阶段:首先,外科医生研究的解剖学教科书和其他视觉教具;这是紧随其后的是“手”训练在手术室或通过尸体解剖或仿真人体模型(59]。问题与传统的培训形式是可用性的尸体或病人使用是有限的和不可靠的57]。模拟器有能力生成现实的人类解剖性质和多样的形态,和90年代初以来虚拟现实(VR)模拟一直被用于这一目的60]。也建议手术模拟器将帮助诊断和治疗计划。

3.2。触觉反馈在远程机器人手术

触觉反馈已成为一个重要的研究领域与遥控微创手术的兴起。临床上,这种反馈可以提高外科医生的网真感,希望导致一种改进的性能。证据强烈表明,能够提供触觉反馈目前外科手术机器人系统,如达芬奇将大大有助于安全使用这些复杂系统(心脏手术61年]。触觉反馈的不足在当前机器人系统是一个重要的障碍在执行技术更复杂而精细的外科的任务。这样的任务是固有的专业像心脏手术62年)和缺乏触觉反馈,可能会导致不安全的水平力由临床医生(63年]。手术的触觉之间提供了一个临时自治医疗机器人和主从远程手术是使用“虚拟设备”(64年)或“积极约束”(65年]。这样的机器人不积极推动所使用的工具,而外科医生使用的动力,同时机器人可以提供控制部队当达到预定的工作空间的边界。这种协同方式符合手术和增加安全管理信息系统技术,同时允许整体控制和判断留在外科医生(66年]。“Acrobot”发达的帝国理工学院是一个这样的例子。另一个研究领域,受欢迎程度显著上升是远程机器人的触觉功能的开发系统,如达芬奇。

黑色的猎鹰是麻省理工学院在90年代末(67年]。图4(一)显示了一个8-DOF遥控机器人的奴隶为管理信息系统,包括一些新奇的特性来提高外科医生设施在介入过程。黑色的猎鹰试图解决一些固有遥控MIS的主要限制。这些限制包括工具之间的差异运动通过内窥镜观察,外科医生的手的动作,穷人灵巧由于缺乏景深和缺乏力/触觉反馈。奴隶制度是一种四自由度手腕二自由度爪和三自由度基础定位器。此外,修改后的幻影用作主系统。一个专用的控制系统称为macro-micro是用于实现力反射。整个机制小心重量分布,以便与电动机转矩平衡很容易实现。电机有刷直流伺服电机与行星齿轮迷。传输电缆,但系统的运动学解耦之间的链接由于布线方案。

机器人telesurgical工作站(环球套票)是由Cavuşoǧlu等人在加州大学伯克利分校(见图4 (b))[10]。手术任务完成与伯克利加州大学旧金山分校环球套票缝合和打结。改进的设计包括高系统带宽和良好的触觉反馈与足够的忠诚。奴隶系统包括两个主要部分:定位器有4个自由度,这是传统腹腔镜仪器,一个额外的2自由度形成一个“endo-wrist。“整个机制是直流伺服电机驱动的电缆传输提供手腕。主工作站由一对6自由度幻影,每个奴隶一个操纵者。初步测试表明,加入的力反馈使缝合比没有它更成功。它还强调了一些弱点在当前的机械设计。从那时起,其他作品也被其他研究小组进行的。冈已经表明,没有触觉telesurgical系统会导致增加操作的持续时间增加了错误倾向(62年]。通过拟合应变仪的低轴达芬奇针工具和使用视觉反馈代表数据显示,他们表现出显著降低工具的力量。

岩手大学Shimachi等人报告的力传感器函数达芬奇的工具使用一个适配器框架,通过该仪器是由力传感器(68年]。结果表明最大误差为0.5 N由于框架变形。Tavakoli和帕特尔描述当前远程机器人系统仍然缺乏触觉反馈由于创建合适的力传感器和适应的困难复杂的末端效应器(69年]。力的解释使用视觉反馈仍是唯一的解决方案。

3.3。触觉设备进行触诊和描述组织刚度

提高MIS仪器的触觉传感能力已成为一个主要研究领域(70年]。它已经表明,力反馈可以显著提高机器人手术系统的性能(1]。冈(62年)认为,遥控操作,需要真实的触觉,以及力反馈。90年代末,触觉传感技术仍被认为是新的特别是在医学领域71年]。的一些主要挑战的发展触觉传感仪器有限大小和重量允许,不育,安全70年),和放置的传感器基于工具格式(72年]。其他应用程序的触觉传感医疗设备开发。工具的发展专门为量化组织刚度用于MIS已被报道。开发工具来衡量组织刚度是出于临床医生无法直接接触或“触诊”表面在管理信息系统(71年,73年]。这个重要的量化,虽然主观的,允许快速评估组织的健康。

的设计触觉传感和几个数组已经收到了大量的关注。触觉数据处理和显示不太发达。人类触觉传感是一个非常复杂的系统,还没有完全理解,因此,产生全面的挑战触觉显示仍然是不可逾越的。审查的触觉显示Benali-Khoudja得出结论,没有触觉显示器完全包含所有的物理参数(74年]。触觉显示仍然太大,不精确的,昂贵的用于管理信息系统(70年),因为相似的原因是非常罕见的在训练设备57]。力反馈更建立了触觉反馈,和一些商业设备开发。最常用的触觉医疗系统和培训系统是幻影从理智的技术公司,从触觉发展研究在麻省理工学院(75年]。

第一个触诊模拟是由Langrana膝盖等人使用虚拟力反馈信息模型和罗格斯大学硕士(76年]。膝盖近13500个多边形组成的模型,包括信息的骨头,软骨和肌肉的位置。接触力反馈到主实时计算基于胡克定律。罗格斯的主人是一个手套将致动器放置近端棕榈。致动器的空气活塞,4 N的最大力量,这种力量在手指弯曲和扩展。在装有球形关节正常允许内收和绑架。致动器的主要缺点是,虽然小,但仍然有限的流动性的手,由于缺乏手腕反馈的情况下,模拟对象的重量是不可能的。

第一个研究院,专门的一些努力的发展触觉医疗设备是哈佛大学生物机器人实验室。事实上,第一个触觉医疗系统报告是针对腹腔镜的微创工具设计了由哈佛大学的刑罚等人[77年]。动力系统是在管理信息系统中使用它允许外科医生触诊动脉区域定位和检测血流一样会在开放手术完成。在图所示的装置5(一个)由一个长endoscope-like探针触觉传感器阵列位于结束。最后一部分探针是灵活的,和一个触发器机制允许外科医生东方地区的利益。电容传感机制使用64力敏元素的数组,这是由铜条和橡胶垫;部队以确定电容顶部和底部层之间的变化。最初,没有力反馈给用户;触觉信息的视觉显示了。这是后来加上主设备(手指)开发研究人为因素在早期的研究60]。触觉显示测试橡胶的幻影形成5毫米深埋在一个柔软的泡沫橡胶块。在测试中,受试者被要求定位肿瘤,随机在±2厘米的范围内波动。单独使用力反馈的测试结果显示,错误在13毫米的范围,而与触觉反馈包括这个错误降至3毫米的平均水平。Ottermo等人开发了另一个sensorized腹腔镜抓紧器使用商用触觉传感阵列由压力剖面系统称为“TactArray”(78年]。这个设备有一个3.5厘米的大小²并由数组中。

设备为哈佛大学开发的“触觉成像”是Wellman et al。79年]。这个设备被设计来生成刚度的等高线地图解剖区域的面积,在这种情况下,尤其是乳腺癌、检测(浮夸的)肿块的存在。虽然手工触诊是可能的和常见的乳房检查,另外超声和磁共振弹性成像可以产生刚度量化,前者完全nonquantitative而后者是非常昂贵的时间和资源。设备使用压敏电阻阵列传感器分辨率为1.5毫米。目标大小,设备被发现两次一样精确的手动或超声波乳房检查。

Dargahi et al。12)已经开发出一种sensorized内窥镜抓紧器与视觉力反馈表示,目的是使刚度测量组织的管理信息系统。图5 (b)显示了该设备手动驱动抓紧器宽下巴,这可以被关闭在一个组织,这样的下巴表面装有传感器接触到组织。使用的传感材料是聚偏二氟乙烯(PVDF)压电聚合物薄膜。设备的特色建筑允许传感器来测量非线性特性,如“柔软”;然而,它不能测量静态力量。

一个触觉灵活内窥镜被佩特拉等人报道在伯明翰大学的80年]。设计一个灵活的数字像内窥镜的使用灵活的创建PVC管通过纵向横截面不同刚度。数字是主从系统的一部分,相应的驱动;用户戴一个主设备仪器的手套。驱动方案是很独特的;挠性管纵向分为两室。这些是单独加压流体和压力差导致管弯曲。此外,遥感是通过使用一个悬臂结构连接油管的长度,这从其自然弯曲位置应变仪,可实现输出一个信号。

Tavakoli et al。81年描述一个sensorized内镜抓紧器。应变仪安装在末端执行器,用于直线电机和负载细胞组合动作的提示和衡量部队。这些都是安装在外部(近端)内窥镜设备。抓紧器有一个可选的“手腕”末端允许工作区域内的测角。该系统使用两个幻影主设备评估。

sensorized腹腔镜抓紧器已经发展研究所的医疗行业在德国(82年]。这个设备是基于一个标准手动驱动10毫米腹腔镜抓紧器,在下巴都装备着定制的六角形阵列32导电聚合物传感器空间分辨率为1.4毫米。输出显示图形作为二维彩色地图。限制了系统的机械设计是,并不是所有的组织都能理解的。

在加拿大外科技术和先进的机器人实验室,MIS开发的触觉传感仪器,这坐骑平面传感器阵列的探针(83年]。传感器是一个商用电容阵列称为“TactArray”压力曲线系统由60元素。设备被用来评估robot-conducted之间的区别和manual-conducted触诊和机器人触诊导致应用最大力量下降了55%,在任务完成时间减少了50%,增加40%的检测精度。

姚明et al。(84年)已经开发出一种触觉增强探测器称为“MicroTactus”麦吉尔大学的管理信息系统。前提是一个关节镜“钩”类型探针结合加速度计和执行机构纳入处理放大振动力量拿起我的指尖。撕裂的仪器提高了性能检测在一个幻影,尤其是当结合听觉反馈。

3.4。仪器触觉显示

已经有一些非常最近的工作进行的触觉显示器的发展表示形状和压力分布来自相同的传感系统。第一批触觉显示是改编自盲文机器(85年]。大多数盲文机器是由压电致动器和高带宽范围但缺乏呈现曲面显示。在哈佛,第一显示开发(86年)使用一个框架,小针直径约2毫米,安排在一个数组,驱动到3毫米到指尖使用形状记忆合金(SMA)电线。问题SMA包括磁滞和定向不对称,和延迟引起的热响应缓慢。显示是安装在一个力量的主人。

早期工作在Kernforschungszentrum触觉医疗设备完成在德国卡尔斯鲁厄GmbH是一家。一个触觉显示(见图6(一))组成的一个发展数组,它是基于一个SMA弹簧驱动的触觉工具(13]。设备风扇冷却,能够2.5 N的最大力量和位置精度0.1毫米,但只能提供0.1赫兹的带宽。同一时期其他发展包括主设备通用内镜手术模拟器开发斯坦福大学(87年]。这由一个机械装置使用小说系统线性和旋转执行器和传输。结果是一个设计和低摩擦和惯性和高刚度。设计有4个自由度,100赫兹的带宽,并可能提供力的负载质量达1.8公斤的主人。

Bicchi et al。88年]报道的发展触觉装置在比萨大学的艺术实验室,在那里他们修改一个普通硬腹腔镜通过添加传感单元附近的处理。单元包括一个力传感器由一个铝环连着两个应变仪和一个位置传感器的位置形成的LED半导体之上。信息返回给外科医生通过显示器显示。这种系统的优点是,它可以提供一个小的触觉(力)反馈和廉价的方法可以被纳入任何商业MIS的工具。传感器位置缺点的事实意味着该工具的属性,例如,反弹和摩擦,影响的反馈。同时,这个系统将非常有限或没有使用非刚性的设备。

索尔福德大学的研究人员开发了一种触觉形状显示(见[14)使用针数组(图6 (b))通过选择气缸驱动。后者设计的优点是,它通常是更小、更轻。显示小到可以被安装到指尖,并注册为手的一部分提供vibrotactile大师,以及热或剪切反馈称为“触觉手套。“一个笨重的缺点是次要组件和沉重。

4所示。非侵入式机器人Imaged-Guided疗法

4.1。Imaged-Guided放射治疗

大量的现代非侵入性医疗程序很难执行出现之前的正电子发射断层扫描术(PET), CT, MRI,和超声波;微妙的或关键领域,如大脑和心脏图像,因此操作仅仅是不可能的。非侵入性原则也加剧了信息的损失。医生现在可以实时查看操作网站和跟踪工具的进步。特别采用了机器人系统可以设计使用返回的数据执行复杂和精确的功能成像系统的控制。射波刀Accuray公司首次生产的发达在斯坦福大学神经外科与CT / x射线在1990年代早期(参见图指导7)[89年]。它由一个线性加速器6自由度机械臂,可以精确的放射外科梁的精度比没有使用立体框架2毫米。因为没有严格固定参照系,可以系统的应用范围扩展到其他领域,如胸部、腹部和骨盆。1999年,射波刀成为美国fda批准的首个自主机器人放射治疗系统(15]。并发复杂性上升的成像和医疗机器人技术,更大的非侵入性图像引导机器人应用程序已成为明显的发病率是世纪之交以来的文学。

4.2。Imaged-Guided高强度聚焦超声

非侵入性温热疗法使用高强度聚焦超声(HIFU)已经受到了越来越多的兴趣在过去的几十年里(90年- - - - - -93年]。用HIFU治疗包括肝肿瘤消融(90年动脉闭塞(),91年),凝结良性乳腺纤维肿瘤(92年),和脑部手术93年]。HIFU手术被认为是替代开放手术去除某些癌变组织,例如,肝细胞癌(HCC) (90年),不响应其它治疗策略,如放疗和化疗。比较开放手术,需要打破整个组织,HIFU手术不需要全身麻醉,他们有优势较短的恢复时间和住院时间,减少感染的风险,因此大大降低整体成本。

在HIFU手术,超声波光束穿透软组织,并集中在目标摧毁深部肿瘤组织区域加热没有过热或破坏覆盖或周围组织。可以聚焦超声束通过使用自聚集球面换能器,透镜或反射镜(94年]。聚焦超声也可以通过相控阵换能器,单独的元素是由激励信号通过适当的控制阶段的差异。重点可以非常精确的和小的顺序(1毫米)。可以使用多个声波降解法转向整个预期的目标量通过控制电信号阶段应用于换能器阵列的每个元素或正确定位传感器的机器人机械手,或两者兼而有之。

HIFU治疗的出血的使用提出了拯救生命的紧急情况下,如在送往医院之前的阶段,在医院的早期阶段,或在战场上23,24]。在这些应用中,涂抹器,由超声波成像探测器和相控阵换能器,用于检测出血位置和烧灼皮肤表面的血管。成像系统是Doppler-based允许实时可视化的内出血情况在HIFU声波降解法。HIFU换能器的规范取决于目标站点,大小和温度要求。在[24),这是证明所需的声强度在1500 W厘米的顺序⁻²腐蚀血管和止血。在这种情况下,HIFU换能器的水晶孔径74毫米和23-annuli元素操作使用2.2 MHz。

4.3。机器人对HIFU治疗

先进的计算机控制的多通道HIFU系统有大量的自由度引导广泛地区的焦点,往往需要大量的个人功率放大器和换能器元素使系统移植的(95年]。这也增加了挑战在战场上使用这些系统或其他紧急情况下。

便携式机械手系统设计用于HIFU出血诊断和治疗阿尔瓦拉多等人提出的合并与HIFU和Seip et al。(17,18]。如图8,HIFU和超声诊断探头连接到末端效应器的操纵者,这是安装在一个生命支持创伤和运输(LSTAT)。超声波发出的光束的焦点HIFU换能器元素沿着超声传播引导方向,可以由个人控制的HIFU放大器的信号阶段。

在[18),使用的传感器有20个同心环元素操作1 MHz。6自由度机械手系统为了满足最低的一组可控力,同时,保持最小重量和复杂性。操作这个系统验证目标点在生物组织超声图像可以热熔化的60年代后,声波降解法声功率300 W。在系统开发的(17),从机械手末端执行器是可拆卸的。机械手设计,释放,随后检索病人的末端执行器。器扫描,与机械运动,在治疗期间病人皮肤的表面。这个设计显著提高了定位精度和可重复性的涂布登记可以更好地保持着低调和轻量级的终端执行器时,受伤的士兵在崎岖的地形。所有的非侵入性的诊断和治疗进行终端执行器的本地或远程控制运输过程中病人。这可拆卸设计的另一个优点是,机器人机械手可以用于其他应用程序时的治疗进展。例如,它可以提供视频反馈的过程或操作另一个医疗设备如果必要的。

5。结论

现代机器人技术已经应用于促进复杂的医疗干预措施包括手术。符合手术平台的进化非常pre-electronics时代医疗过程更安全,更快,更可靠和全面的。在手术室使用机器人机械手变得更加合理的由于最近的进步在机械设计中,控制和计算机编程。机器人也致力于提高机器人的通过适应能力,使用感觉信息,以应对不断变化的环境,和自主权。另一个优势是,机器人可以与无限设计不同的形态来处理任何特定的操作拓扑;然而,外科医生是与通用机器适用于许多程序但没有理想。除了历史和技术进步在机器人,一些手术的趋势也影响研究的重点。主要因素包括强调微创和非侵入性技术和3 d成像数据的可用性。尽管在描述积极方面,仍有几个医疗机器人面临的挑战。的主要对手之一在应用程序的任何机器人系统是不能积极处理不同来源的信息,进行定性推理和锻炼有意义的判断。 This is a problem of artificial intelligence and is one of the main arguments against autonomous surgery at this time.

触觉技术在医学的应用是相当有限;然而,走向自治系统,先进的触觉反馈的发展为主导的医疗机器人和仿真内窥镜和设备已变得更加普遍。大部分的在这一领域目前的研究侧重于将触觉反馈医疗工具来帮助操作,尤其是管理信息系统。触觉系统更广泛应用于外科手术模拟工具行为医学实习生培训项目。最后,之前多映像模式允许NIS放射治疗的治疗和NIS HIFU消融与实时图像指导。

承认

这部分工作是支持日本促进社会科学。

引用

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