机器人技术能否掀起医疗领域新兴革命?

2008-07-23 10:36:47来源: 电子系统设计 关键字:触觉传感  无缝  监督  远程  控制  反馈
  机器人技术的进步正在完全改变着今天的医生手术室。通过机器人的控制和协助,任何伤害或疾病的手术都比以往任何时候变得更快、更准确、更少的扩散。因为机器人有利于加快手术过程,手术变得更加安全。对于传统的外科手术,持续几个小时实施手术的外科医生可能变得非常疲劳。因此,外科医生的手可能会犯灾难性的错误,特别是复杂而微妙的手术,例如神经外科手术。但机器人的手从不会劳累,而它也不会因颤抖而位置不当。

  在感知(尤其是触觉传感)、影像方面的提高,更好的机器人控制和关节衔接,以及更为灵巧的机器人的开发已经促使机器人手术急剧增加。医学界现正更为深入地了解机器人的优势,以及这一过程中所涉及的确保外科医生和机器人系统之间的无缝衔接。

  医疗机器人并不是完全自主的,其本身并不实施手术。相反,它们协助外科医生,由医生命令和控制它们。因此,手术正在迅速变为人与机器之间的伙伴关系。根据BCC调查公司表示,到2011年外科手术机器人的市场仅在美国其总额就将高达25亿美元。这一市场有望在2006至2011年间预计增长率为43%。

  医疗机器人正在泌尿系统、神经系统、妇科、心脏、骨科、胃肠道、儿科,以及无线手术过程中提供协助。依赖于在一项手术中外科医生的互动水平,这些系统大致可分为三类:监督控制、远程手术和共享控制系统。

  在监督控制手术中,机器人按照来自外科医生的计算机编程程序输入来执行手术过程。在远程手术中,外科医生从远处操纵机器人的手采用实时成像和触觉反馈来实施手术。外科医生最主要涉及到共享控制程序,其中他们使用机器人来获得“稳定的手”操纵使用中的手术器械。

  美国政府也正在推行机器人手术。来自国防高级研究计划局(DARPA)的Trauma Pod计划设想了未来的手术室。在SRI领导下,这一多方面计划旨在利用机器人来执行外科医生的技能,而这正是需要它们的战场(图1)。其包括了来自华盛顿、德克萨斯和马里兰大学;Oak Ridge国家实验室;通用动力公司;直觉外科公司;通用电气公司;集成医疗系统公司;以及机器人手术科技公司的贡献。

机器人技术能否掀起医疗领域的一场新兴革命?

  这一市场上最著名的产品就是来自直觉外科公司的达芬奇外科手术系统,该系统包括了一个观察与控制操作台和一个外科手臂部件(图2)。在全世界范围所使用,它是唯一用于腹腔镜以及各种微创孔手术的机器人辅助装置。它也被成功用于很多妇科、泌尿科和心脏手术。

机器人技术能否掀起医疗领域的一场新兴革命?

  虚拟手术的预先规划

  对其所有优势而言,机器人手术还需要更好的计算机建模、图像处理和外科手术中人与机器更加无缝集成的触觉传感。这些改进将实现更好的术前规划,也让医生在实际手术前实施虚拟手术。

  华盛顿大学正在研制一种“holomer”系统,这是一种在手术过程中用作全身扫描来引导体内手术导航的系统。一名外科医生便可以在进行实际手术之前使用此信息来对病人实施虚拟手术。

  这也是约翰霍普金斯大学计算机集成系统和技术工程研究中心的目标。其手术的CAD-CAM系统提供了“一站式购物” 通过术后评价来整合重新规划,并建立起“即插即用”手术的模块化系统(图3)。

机器人技术能否掀起医疗领域的一场新兴革命?

  研究人员还正在调查触觉感知,这在微妙的手术中是非常重要的。“外科医生已要求这种反馈。因此,我们正在使用我们对触觉技术的了解来尝试向外科医生提供当他们使用的机器人医疗工具时所失去的触觉感知,” 约翰霍普金斯大学人机交互中的主要研究人员Allison Okamura说。

  传感器可以连接到机器人工具来传达有多少力量正在用于手术缝合。此外,数学模型将代表机器人工具所作的运动,而这一数据将被转换为触觉反馈来发送给外科医生。

  Okamura的团队开发了可视化触觉系统,该系统在缝合期间通过显示器向外科医生发送所观察到的触觉信息。彩色圈跟着缝合工具的图像,红色表明过大的力量(其中缝合线可能会断裂),而绿色及黄色表示刚好适度的缝合力量。

  Tufts大学的研究人员也正在研究模拟微创手术的方法,该方法采用可视化,再加上触觉,来合并反馈到机器人外科手术训练中。他们正在集中力量开发采用摄像机和力反馈传感器的腹腔镜手术工具。

  “在遥控手术中,力量反馈或触觉反馈非常重要,” Tufts大学机械工程系助理教授Caroline Cao说。“否则,你无法感觉到你正在处理的对象。你最终要么碰撞到目标,或者你并不知道如何控制力量来操控你的目标。”

  视觉传感的重要性

  采用视觉传感平台,外科手术机器人看到手术所在的位置以及如何精确实施这一手术。这些平台是必不可少的,以便向市场提供准确而负担得起的机器人手术。一家公司名叫Prosurgics的公司正在与Adept科技公司合作生产下一代手术机器人系统。

  “这项合作将把我们在机器人的图像制导和导航神经和软组织手术的专业知识与Adept科技公司那些在机器人控制和视觉引导应用相结合,来向改善病人护理和优化经济体系的医疗供应商提供可负担得起的外科手术机器人产品,” Prosurgics公司业务发展营销总监Colin Robertson说。

  “我们在图像制导机器人方面的经验非常广泛而雄厚。这包括了移动电话、计算机磁盘驱动器、太阳能电池的组装与生产,以及食物处理。它将为医疗机器人技术领域提供宝贵的协助,” Adept科技公司首席技术官Dave Pap Rocki补充说。

  Prosurgics公司提供了先进的外科手术工具,例如PathFinder,这是一种用于神经外科手术中精确定位的图像制导机械臂(图4)。利用这项技术,外科医生可以安置精度在1 mm以内的立体手术机械。该公司此外还开发了EndoAssist,这是一种内窥镜用图像制导机械臂,这种内窥镜用于微创胸腹手术。

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  机器人骨科手术

  图像制导骨科手术机器人代表增长最快的医疗领域之一。大约有40万人每年要做膝关节置换手术,这通常需要很长的手术切口,并可能导致相当严重的疼痛。此外,在他们可以用脚走路之前,病人要面对很长的恢复时间。然而,这种情况正在改变,机器人骨科手术需要较短的切口,以及很少的痛苦,并有快得多的恢复时间。

  来自伦敦帝国学院的一项涉及工程师和外科医生的研究表明,机器人的协助提高了膝关节手术的准确性,导致膝关节代替的功能比传统手术方法更好且持续时间更长。该研究由Acrobot有限公司资助,该公司出自伦敦帝国学院。

  一个突出的程序是来自Mako 外科公司的MAKOplasty膝关节再修。其触觉引导系统(TGS)相对手术前采取的CT扫描,允许外科医生准确地规划膝关节植入的大小,并优化植入的位置和方向。

  来自集成外科系统公司的Robodoc外科手术辅助系统还支持图像制导骨科手术。它集成了该公司的Orthodoc Presurgical规划器具备用于关节替换手术的计算机控制机器人。它还可以用于神经外科手术过程。

  德国联邦教育和研究部为orthoMIT提供资金, “创新技术的温和手术”项目被称为SOMIT。其目的是在机器人骨科及创伤过程中建立温和手术治疗的智能平台,特别是对髋关节、膝关节、脊椎柱手术。

  机器人放射也已表现出作为优秀的肿瘤替代疗法。来自Accuray 公司的计算机刀和Elekta公司的伽玛刀采用高精度光束辐射来无痛地迅速摧毁肿瘤,无需请假或长期住院。体内肿瘤随时随地可以治疗,甚至是那些以前被认为无法治疗的肿瘤。利用CT图像,这些工具使外科医生建立起非常精确的术前计划来提供肿瘤辐射的总剂量,同时使周围的正常组织暴露地最低。

  更敏捷且更聪明的工具来了

  微创“像锁孔一样的”机器人手术将继续以更大的灵活性迈出步伐。将缩短病人住院的时间,更准确而更有效的手术过程,并由于较小的外科手术开口和更快的手术过程从而降低了风险(例如,感染)。例如,日本东京技术研究所正在研究的方法就是使机器人在人体内进行组装,在手术之前,对大的和光滑的内部器官进行机器人手术,例如肝脏。

  这些研究人员正在开发三指的钢手,每个手指为5厘米长,来抓好内部器官。他们使用空心臂,其有30 cm长,直径16 mm,其通过一个小切口插入到身体内。然后,三个手指通过这一方式,经过附近的一个小孔,进入到手臂内。僵硬的电线沿着手臂让手指把握器官。体腔内实验表明,这种方法是有效的。

  约翰霍普金斯大学研究人员希望尽快推出具备用于人体试验运行力量传感器的先进机器人抓取器和牵引器。这些工具将允许外科医生避免夹持血管太紧。此外,它们将允许氧传感器来病变组织从健康组织中区别出来。一套工具弯曲得很像一个象鼻,其向下滑入病人的喉咙,用作上部气管的无伤痕手术。另一项目前在研发之下的工具是让外科医生透视微细血管内的血凝块。

  伦敦帝国学院和美国卡内基梅隆大学正在开发蛇一样的机器人工具。帝国学院的i-Snake项目,这是一项由Wellcome信托基金资助420万美元的项目,该基金是一个资助创新生物医学研究的大型英国慈善团体,其中心就是一个灵活的机械臂,用作为外科医生的手和眼睛。该技术将允许外科医生浏览困难而受到限制性的人体区域,例如消化道和心血管,从而比同时使用传统技术更快而且更准确。

  卡内基梅隆大学的微型HeartLander使得微创治疗跳动的心脏表面更为容易(图5)。按照医生的控制,机器人通过胸骨以下的一个切口进入胸部,并附着在心脏的心外膜表面。然后自主导航到指定的位置,并实施手术。与现有的方法相比,提高了与心脏的表面交互的精度和稳定性,并同时减少了与进入体内有关的并发症。

机器人技术能否掀起医疗领域的一场新兴革命?

  最大的挑战之一是在于开发一个工作在磁共振成像(MRI)环境下的机器人系统,而手术在这一环境下实施。 MRI具有必须绕过的强烈而敏感的磁场。否则,MRI图像将被扭曲。约翰霍普金斯PneuStep是一款机器人工具,其设计用于前列腺手术,从而解决了这些MRI问题。

  PneuStep包括了六个电动机,其为兼容MRI的机器人提供动力。三个活塞被连接到一系列齿轮。由空气流动来推动齿轮转动,这是由设在与MRI机器毗邻房间内的计算机来依次控制的。该系统可实现高达50 ?m的高精度而平稳移动,这比人的头发精还要细,并远高于外科医生。PneuStep目前正在进行临床之前的实验。

  neuroArm是另一个由加拿大Calgary大学正在研制的兼容MRI的机器人工具。它使用铅-锆-钛(PZT)马达来回移动一个小陶瓷手指。手指旋转陶瓷环,通过摩擦形成运动。

  短期内,成本将限制完全成熟的大型机器人手术系统的广泛采用,这类系统可能升至一百万元或更多,且维护起来十分昂贵。然而,研究表明,大多数使用这种系统的外科医生已转换到这一技术。显然,需要成本更低的系统,全世界许多研究人员都在忙于工作,从而实现这一目标。

关键字:触觉传感  无缝  监督  远程  控制  反馈

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0723/article_219.html
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