医疗机器人演示稿.ppt

書式設定,第 2,第 3,第 4,第 5：,*,Artificial Intelligence and Robotics,Artificial Intelligence and Robotics,書式設定,第 2,第 3,第 4,第 5：,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1,第 十一章 医疗机器人,Artificial Intelligence and Robotics,2,11.1,什么是医疗机器人,11.2,医疗机器人技术的发展,11.3几种医疗机器人的介绍,第 十一章 医 疗 机 器 人,Artificial Intelligence and Robotics,2025/11/14 周五,2,3,11.1,什么是医疗机器人,11.2,医疗机器人技术的发展,11.3,几种医疗机器人的介绍,第 十一章 医 疗 机 器 人,Artificial Intelligence and Robotics,2025/11/14 周五,3,4,11.1.1,概念,你能想象由机器人操刀做手术将是怎样一种情形吗？你能想象一个机器人医生通过千里之外的遥控来实施“医术”又是怎样一种状况吗？这不是天方夜谭，更不是痴人说梦,11.1,医疗机器人的定义及特点,5,说起医疗机器人，早已不是新鲜的概念。,随着机器人的发展，医疗机器人也应运而生。,1998,年,5,月，德、法两国的医生共同合作，用遥控机器人系统成功地为一位心脏病人进行了瓣膜修复手术；,2001,年,9,月，法国医生通过超远程控制医疗机器人，在美国纽约为远在法国的病人进行了胆囊摘除手术，实现了世界上首次跨洋手术,多起成功案例让人们逐渐接受了这个特殊的“妙手神医”。,11.1,医疗机器人的定义及特点,6,那么医疗机器人，是近十几年来发展比较迅速的一个新的应用领域，那么这个也可以看到几个方面，包括人是一个非常珍贵的生物，那么包括人的眼球、神经、血管都很精细，那么如果人手术的时候，医生来手术，一个是疲劳，另一个人手操作的精度还是有限的,11.1,医疗机器人的定义及特点,8,医疗机器人技术,包括：,医学、生物学,；（,医疗机器人要直接接触病人的身体）,计算机图形学、计算机视觉；,数学分析、数学模型；,机械学、机械力学、材料学、传动学；,电学、电子、控制、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，具有重要的研究价值，在军用和民用上有着广泛的应用前景，是目前机器人领域的一个研究热点。,11.1,医疗机器人的定义及特点,9,概念：,医疗机器人是多学科研究的和发展的成果，,是医学领域被应用在诊断、治疗、手术、康复、护理和功能辅助恢复等多学科领域的机器人，,它具有其他机器人的一般特性和医用领域的特殊特性，,医疗机器人主要用于伤病员的手术、救援、转运和康复。,11.1,医疗机器人的定义及特点,10,11.1.2,医疗机器人的特点,近几年来，,医疗机器人与计算机辅助医疗外科技术已经在多学科交叉领域中兴起，,并成为越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题之一。,11.1,医疗机器人的定义及特点,11,机器人在应用上有两个突出的特点：,一是它,能够代替人类工作,，代替人进行简单的重复劳动，代替人在脏乱环境和危险环境下工作，或者代替人进行劳动强度极大的工种作业。,二是,扩展人类的能力,，它可以做人很难进行的高细微精密的作业，,以及超高速,作业等。,11.1,医疗机器人的定义及特点,12,医疗机器人正是运用了机器人的这两个特点。,而医疗机器人的对象是人（,医疗机器人要直接接触病人的身体）,，所以除具备机器人的两个基本的特点同时，还有其自身的,选位准确、动作精细、避免病人感染,等特点。,譬如：在血管缝合手术时，人工很难进行细于,1,毫米以下的血管缝合，如果使用医疗机器人，血管缝合手术可以达到小于,0,1,毫米的精度；用医疗机器人进行手术避免了医生直接接触患者的血液，大大减少了患者的感染危险。,11.1,医疗机器人的定义及特点,13,与其它机器人相比，,医疗机器人还有以下几个特点,：,作业环境,一般在,医院、街道社区、家庭及非特定,的多种场合。,作业对象,是人、,人体信息及相关医疗器械。,11.1,医疗机器人的定义及特点,14,材料选择和结构设计,必须,以易消毒和灭菌为前提，安全可靠且无辐射。,性能必须满足,对,(,人,),状况变化的,适应性、对作业的,柔软性,，对危险的安全性以及对人体和精神的适应性,等。,11.1,医疗机器人的定义及特点,15,医疗机器人之间及医疗机器人和医疗器械之间具有或,预留通用的对接接口,，包括信息通讯接口、人机交互接口、临床辅助器材接口以及伤病员转运接口等。,11.1,医疗机器人的定义及特点,16,11.1.3,医疗机器人的应用优点,1,、,手术机器人,具有高准确性、高可靠性和高精确性,提高了手术的成功率,。目前，手术机器人不仅完成了普外科，还有脑神经外科、心脏修复、胆囊摘除、人工关节置换、泌尿科和整形外科等方面的手术。,2,、医疗机器人,定位和操作精确、手术微创化、可靠性强，而且能够突破手术禁区，进行远程手术，从而减轻医生的劳动强度，,避免接触放射线或者烈性传染病病原。,11.1,医疗机器人的定义及特点,17,3,、它是在计算机层面扫描图像或核磁共振图像基础上构成的,三维医疗模型,，用于医疗外科手术规划和虚拟操作，以期最终实现多传感器机器人的辅助手术定位和操作。,4,、医用机器人和计算机辅助定位导航系统。可以满足胫骨骨折闭合复位带锁,髓内钉内固定,在临床应用中骨折复位和远端锁钉置入，,减少了术中,X,射线透视时间，远程遥控操作可靠方便,，系统结构简单，易于掌握。,11.1,医疗机器人的定义及特点,18,11.1.4,医疗机器人分类：,手术机器人,康复机器人,护理机器人,救援机器人,转运机器人,11.1,医疗机器人的定义及特点,19,1,、手术机器人：,概念：,手术机器人,是一组器械的组合装置。它通常由一个内窥镜（探头）、刀剪等手术器械、微型摄像头和操纵杆等器件组装而成。,目前使用中的手术机器人的工作原理是通过无线操作进行的外科手术，即医生坐在电脑显示屏前，通过显示屏和内窥镜仔细观察病人体内的病灶情况，然后通过机器人手中的手术刀将病灶精确切除（或修复）。,11.1,医疗机器人的定义及特点,20,特点：,自身定位准确，,动作精细，,避免病人感染，,有效防止医生手术时的手动引起的抖动带来的危险，,减少手术疲劳，提高安全性，,易实现远程治疗和会诊。,11.1,医疗机器人的定义及特点,21,2,、康复机器人,概念：,康复机器人,作为医疗机器人的一个重要分支,康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域,已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。,康复的含义是,在受创伤或得病后恢复患者肢体或器官的,正常的形状或功能。,康复工程就是致力于为患者提供此类辅助装置。把先进的机器人技术引入到康复工程中的康复机器人,体现了康复医学和机器人技术的完美结合。,11.1,医疗机器人的定义及特点,22,康复机器人分为：,辅助性和治疗性两种,。,辅助型康复机器人,是,帮助,病人、老人、残疾人更好的的适应日常生活和工作，部分补偿其弱化的功能。,治疗型康复机器人,恢复,病人、老人、残疾人的部分机能，更好的的适应日常生活和工作。,康复工程就是致力于为患者提供此类辅助装置。把先进的机器人技术引入到康复工程中的康复机器人,体现了康复医学和机器人技术的完美结合。目前,康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面,这不仅促进了康复医学的发展,也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。,康复机器人主要有智能轮椅、康复机械手等。,11.1,医疗机器人的定义及特点,23,3,、护理机器人,概念：,护理机器人具有视觉、听觉、嗅觉等能力，是辅助护士完成护理工作,，,如帮助病人翻身、更换床单、以及递送食物、药物、人机对话，病房巡视等，或能背起（或抱起）老人，能照顾老年人，病人或残疾人，功能将更加全面和智能，服务也更人性化。,11.1,医疗机器人的定义及特点,24,救护机器人,11.1,医疗机器人的定义及特点,25,11.1,什么是医疗机器人,11.2,医疗机器人技术的发展,11.3,各类医疗机器人的介绍,第 十一章 医 疗 机 器 人,Artificial Intelligence and Robotics,2025/11/14 周五,25,26,11.2.1,医疗机器人技术的发展,早在,1972,年就有人提出开发医疗用遥控机器人的设想，但在当时人们普遍认为这是个相对遥远的问题。然而，随着原子能领域、宇宙开发领域的遥控机器人技术的发展以及虚拟现实技术的出现，医疗领域也出现了开发医用机器人的热潮。可以说，目前医疗领域的机器人技术是最发达的领域之一。,11.2,医疗机器人技术的发展,27,商业化的手术机器人最早出现在,1994,年，由美国,Computer Motion,公司研制，实质上是一种声控腹腔镜自动“扶镜手”。,能进行微创手术的“扶镜手”系统是第一个获得,FDA,许可的产品，允许临床使用。它的速度控制直到现在仍然是最直观的操作概念。,医疗机器人的概念是从,1996,年确立的，早期大多数流行的医疗机器人都是美国研究生产的。,11.2,医疗机器人技术的发展,28,手术机器人于,1997,年,3,月在比利时布鲁塞尔,St Pierre,医院完成了第一例腹腔镜手术,胆囊切除术。,1998,年，美国,ComputerMotion,公司研制的,Zeus,系统、,Intuitive Surgical,公司研制的,da Vinci,系统和,endoVia,公司研制的,Laprotek,系统分别获得了成功。,这三个系统均由三大部分组成：医生操纵台、机械手和内镜装置。,11.2,医疗机器人技术的发展,29,1998,年,5,月，德、法两国的医生共同合作，用遥控机器人系统成功地为一位心脏病人进行了瓣膜修复手术；,2001,年,9,月，法国医生通过超远程控制医疗机器人，在美国纽约为远在法国的病人进行了胆囊摘除手术，实现了世界上首次跨洋手术,多起成功案例让人们逐渐接受了这个特殊的“妙手神医”。,11.2,医疗机器人技术的发展,30,1997,年，外科手术机器人“宙斯”被用于一起输卵管重建手术；,2001,年,9,月,7,日，历史上第一次跨洋远程控制外科手术在大西洋两岸同时进行；,2003,年“宙斯”的公司,Computer Motion,和“达芬奇”的公司,Intuitive Surgical,宣告合并，达芬奇也成为了目前市场上唯一的得到美国食品药品监督管理局（,FDA,）认证的外科手术机器人产品。如今，全球有超过,850,所医院都在使用着这款手术机器人。,11.2,医疗机器人技术的发展,31,加拿大,卫生部门,2011,年,4,月宣称，将在国内推广一种实施,神经外科手术的机器人,，这种医学机器人有特别敏感的触觉，可以让医生通过最清晰的视觉来完成大脑的显微手术。其精确度可以达到一根头发丝的程度，甚至连最小的神经也有清晰的三维图像。去年,4,月，该机器人在卡尔加里市的山麓医院首次使用获得成功。,11.2,医疗机器人技术的发展,32,2010,年,5,月,10,日，,英国,伦敦皇家医学会宣称，英国将开始普及医学机器人护士，此举既可缓解国内护士的不足，又可大大提高护理效率和安全性，而且显著扩大护理功能。,此前在伦敦展出了这款“机器人护士”，其头部安装有多台激光和热成像摄像机，在声音识别技术的辅助下，它可以适时地与病人进行互动式交流，并且将那些未经允许的来访者阻挡在外。,“机器人护士”的“胸部”是一块控制面板，一些复杂的操作指令可以在这里编程输入。它的“腹部”安装有一个红外线感应器，可以随时监测病人的体温,。,11.2,医疗机器人技术的发展,33,11.2.2,国际医疗机构的发展趋势和特点,医疗机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一,其发展前景非常看好近年来,医疗机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注,研究工作蓬勃兴起。,112,医疗机器人技术的发展,34,医疗机器人领域的研究组织有：美国巴尔的摩约翰一霍普金斯大学的研究小组、英国伦敦的皇家学院研究小组、意大利比萨圣安娜高等学院,(Scuo1a Superiore Santna),研究小组，另外还有一些在法国和德国的研究小组。,11.2,医疗机器人技术的发展,35,11.2.3,我国医疗机器人的发展,1,、自,2006,年中国人民解放军总医院心外科首次引进达芬奇系统以来，国内已有多家医院引进该系统，并进行了成功的临床应用。北京解放军总医院是中国大陆第一个引进达芬奇系统的医院，在那里，多例外科手术在机器人神奇的手臂下成功完成。,“,达芬奇,”,机器人近百种,“,手,中的一种，,8,毫米大小，七自由度，各关节之间能,90,度活动，能减少颤动，,11.2,医疗机器人技术的发展,36,2.,哈工大机器人在医疗领域大展“身手”,哈工大机器人研究所利用学科交叉的优势，开展了,机器人辅助矫形外科手术和介入外科手术、用穿戴机器人手臂进行人体上肢的康复治疗、,用,MEMS,传感器技术进行远程人体生命检测系统等研究，取得了多项成果。,11.2,医疗机器人技术的发展,37,长期以来，矫形外科手术中传统的,骨折接骨方法，对骨折病人采用人工牵引的方法,，,将错位的骨头牵引拉开，恢复原位后，把钢钉穿入骨髓使断骨连接。医务人员必须在,X,光的平面透视下，摸索寻找钢钉的孔位，从外部打孔进行锁定，完成对髓内钉的远端锁定。,11.2,医疗机器人技术的发展,38,这种手术方式复杂，一次成功机率较低，即使是经验丰富的医生也往往无法做到一次成功，所以容易发生髓内钉远端锁定失准失败，引发手术并发症；同时，手术过程中，医务人员和患者都要长时间暴露在,X,光射线下,所有这些问题，都是国内外医疗界长期探索革新的医疗技术难点。,11.2,医疗机器人技术的发展,39,3,、接骨机器人涉及机器人、网络技术、计算机、医学影像和外科手术等诸多学科，,哈工大在“,863”,计划的资助下，联合北京航空航天大学机器人研究所、北京积水潭医院、哈尔滨医科大学附属第二医院等单位，研制出一大一小两种类型的接骨机器人系统，,大型系统侧重于跟踪国外先进技术，用较大的投资建立适于研究和应用的全数字医疗平台，开展医学图像处理、网络遥操作、自动化手术、手术虚拟仿真等医疗机器人通用技术的研究及在接骨手术中的应用；小型系统侧重于实用化研究，系统采用框架式结构，具有体积小、价格低、便于医生操作和大面积推广等特点。,11.2,医疗机器人技术的发展,40,4,、,2005,年,9,月，哈工大在医疗机器人研究领域再次取得重要突破，,我国第一部用于手指功能锻炼的辅助治疗装置,智能仿生康复训练机械手样机,在哈工大问世,。,它将在改善患者手部外伤的治疗效果、最大限度防止患者手指关节功能障碍发生等方面发挥积极作用。,11.2,医疗机器人技术的发展,41,据介绍，,手是极易受到损伤的人体器官，由于其内部神经、血管、小肌肉纵横交错，一旦受损治疗难度很大，治疗后功能恢复也多不理想。,临床上，手外伤术后多需将患指固定,周，易致使淤积于关节内肌腱周围的淤血形成纤维变性，直接导致手指关节及肌腱的粘连，在不同程度上影响患指功能。,11.2,医疗机器人技术的发展,42,针对手指抓握等精细动作康复器具的研究在我国尚处于空白的状况，哈工大校长王树国教授和付宜利教授带领的课题组与哈医大四医院共同承担了国家自然科学基金项目,“智能促动手（指）功能恢复医疗仿生机械手研究”。,11.2,医疗机器人技术的发展,43,仿生机械手采用模块化设计，,由个类似人类手指的“手指”组成，每个“手指”分“仿生手指”模块和“仿生肌肉”模块两部分。“仿生手指”模块采用平面杆机构和空间杆机构实现受伤手指各关节的运动,；“仿生肌肉”模块包括驱动器、导向机构、张紧机构和支撑机构等实现“仿生手指”的驱动控制。,11.2,医疗机器人技术的发展,44,5,、脑外科及其任辅助系统,该脑外科机器人辅助系统是由北京航空航天大学、清华大学和海军总院共同研制开发的,。,1997,年,5,月用该机器人为病人实施了首例开颅手术,到,2000,年,11,月已为,140,多位病人实施了这种手术。,11.2,医疗机器人技术的发展,45,6,、,国内首台微创外科手术机器人“妙手,A”McroHand A,）系统,没有很长很深的刀口，只有,5,个直径约,1cm,的洞和很少量的出血，仅,1,个多小时，机器人“大夫”就将一头小猪的胆囊成功摘除。手术过后半小时，逐渐清醒的小猪已在手术台上挣扎起来。,去年,7,月,3,日，国内首台,微创外科手术机器人“妙手,A”,（,McroHand A,）系统在天津大学举行鉴定会上的一幕。鉴定专家介绍，“妙手,A”,系统是国家,863,计划项目，在机器人系统机械设计、主从控制、立体图像与系统集成等关键技术上取得了重大突破，它被中国科学院院士熊有伦等,7,位专家组成的鉴定委员认为填补了国内的医疗数字化空白，达到国际领先水平。,11.2,医疗机器人技术的发展,46,事实上，国外微创外科手术机器人“达芬奇”早在,10,年前就已在手术室中使用，而“妙手,A”,的意义，很大程度就在于打破了“达芬奇”的垄断局面。,据在鉴定会上操作“妙手,A”,系统与常规开刀手术相比，微创手术在治疗效果、减轻痛苦、恢复周期、医疗成本等方面具有明显优势。而医疗辅助机器人系统可以说是外科学领域的再一次突破，大大拓宽了微创外科的范围。,11.2,医疗机器人技术的发展,47,“,达芬奇系统除购置费用高以外，手术耗材等也十分昂贵，比如刀具每用,10,次就要更换，每,4,个月就要进行一次预防性维修，这使得更换耗材和维修费用就要达到机器人系统费用的,40%,左右，对医院和患者都是一笔沉重的负担。”,国内自主研发的“妙手,A”,系统最终成本将只有国外产品的,1/3,1/2,，“耗材也不会那么脆弱，未来推向医疗市场后将有助于降低同类产品的价格与维护成本，把机器人手术的费用大大降低。,11.2,医疗机器人技术的发展,48,据悉，“妙手,A”,系统在很多技术指标上，已经走在了达芬奇系统的前面。,比如，首次设计完成四自由度小型手术工具，可完成复杂的缝合打结运动操作；通过信号的异地、远程传输,，,不远的将来甚至可以让北京的医生对异地任何一个有条件的医院的病人进行手术，从而大大提高医疗效率，减少医疗成本。,11.2,医疗机器人技术的发展,49,11.2.4,发展瓶颈和问题,通过观察全世界医疗机器人的发展情况，可以看到在临床和技术,/,商业角度两方面取得了非常大的成果，机器人在神经外科、耳鼻喉,(ENT),手术和整形外科中已得到成功应用。在腰部胸部的外科手术系统的开发中，主要的挑战在于影像导引。,由于身体易受外界影响导致其解剖结构具有高度的可变性，致使在处理软组织模型时出现很多问题，如：病人在手术室中的位置，解剖结构中具体的手术位置和手术工具的记录。,11.2,医疗机器人技术的发展,50,1.,技术方面的关键问题,在管理信息系统的初期，因为缺乏足够的经验，所以需要花费很多金钱用于积累经验。,（发展技术）,11.2,医疗机器人技术的发展,51,2.,医疗机械及控制,为了完成上述任务，医生了解新的机械装置、致动器、能源、控制器、传感器和集线器管理接口。,另外对医疗机械的开发。在外科手术机器人系统中，机械系统的主要考虑问题以及制造过程中的事项,：,安全,(,轻型，关节的制动性,),精确,(,无后冲、开环、偏差,),清洁操作,(,干燥的机械设备或密封的关节,),手术中的成像和导航所用的,X,射线和磁适应性,(,不高于铁磁材料所允许的,),11.2,医疗机器人技术的发展,52,3.,人员：,存在一种学医的不懂机械和控制以及软件，学机械的、控制的、软件的不懂医学，所以需要掌握多学科、综合型人才,。,那么我们要培养多学科交叉的人才，另外，就是多学科人才结合，成立交叉学科团队。,11.2,医疗机器人技术的发展,53,总之，医疗机器人大发展处设备本身的可靠性、灵活性、安全性外，设备的小巧精细及材料可靠，最重要的是人员。,懂医的不懂机械、电子，懂机械、电子的不懂医学，多学科交叉复合人才少是主要原因,。,在先进的东西最后起决定作用还是人。,11.2,医疗机器人技术的发展,54,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。,11.2,医疗机器人技术的发展,55,随着社会的进步，经济的发展和人民生活水平的提高，越来越多的人需要数字化家庭医疗保健服务的智能机器人系统且功能全面。,家用智能机器人、基于蓝牙技术的智能家居和数字化医院等方面的拓展应用非常广阔，具有极大的市场潜力。,11.2,医疗机器人技术的发展,56,11.1,什么是医疗机器人,11.2,医疗机器人技术的发展,11.3,各类医疗机器人的介绍,第 十一章 医 疗 机 器 人,Artificial Intelligence and Robotics,2025/11/14 周五,56,57,首先了解传统心脏手术,VS,机器人心脏手术,传统心脏手术,：,最常用的方法,是,开胸,后在体外循环下完成，因手术中需要,劈开胸骨,，患者胸前将留下长达,20,厘米的瘢痕。冠心病患者一般年岁较大，常伴有多种慢性病，所以开胸手术风险较大。术后患者疼痛较明显，甚至可能并发胸骨裂开、感染等，使患者的恢复时间延长，降低患者的生活质量。,11.3,各类医疗机器人的介绍,58,心脏手术时，前正中开胸、体外循环下完成手术是最常用和传统的方法。,因手术中需要纵行劈开胸骨，出血量大并破坏了胸廓的稳定性，术后患者疼痛较明显，甚至可能发生胸骨裂开、感染等并发症，延长了患者的恢复时间并极大的降低了患者的生活质量，,这种潜在的手术风险使许多患者对接受心脏手术望而却步；此外正中开胸后手术切口瘢痕明显，,对患者造成了一定程度的生理和心理负担,。,11.3,各类医疗机器人的介绍,59,机器人心脏手术：,“机器人心脏手术技术相当于把外科医生的手变细和拉长了，因此,无需打开患者胸腔就可以完成手术,，给患者留下的创伤和痛苦要比传统手术小得多，而且恢复快。不但如此，机器人手臂还能突破常规手术中术者自己操作、视野的局限，大大缩短手术时间，让手术变得更加准确、安全。”,“患者接受搭桥手术时如果开胸，术后呼吸机要维持,8,个小时甚至更长时间，,3,天后才能吃饭、活动。而如果患者接受的是利用机器人做的搭桥手术，术后两天就可以回普通病房，再观察,3,天，如果一切正常，就可以出院。”,11.3,各类医疗机器人的介绍,60,在保证同样甚至更为优良的治疗效果的前提下，,利用机器人做各种小切口的应用、非体外循环技术的创造、腔镜技术的发展为心脏外科领域注入了勃勃生机。,近年来，在微创外科的理念和现代高科技推动下，出现了腔镜技术和尖端的自动控制、网络通讯和计算机技术的相结合，而创造出机器人外科的全新微创外科新时代。,11.3,各类医疗机器人的介绍,61,机器人手术系统,还能通过软件处理来消除手术医师手部的轻微震颤，使操作更加平稳。术中可以使用机器人手臂从,1,厘米的小切口进入患者体内完成手术，,不需要开胸，,效果等同于甚至好于传统手术，不破坏胸廓稳定性，创伤小，术后疼痛感轻微，恢复快，出血、纵隔感染等并发症明显减少，术后监护和住院时间明显缩短。,11.3,各类医疗机器人的介绍,62,3.1,美国的“达芬奇,S”,机器人手术系统,20,世纪,90,年代，随着微创外科的兴起和发展，机器人手术的概念第一次被引进心脏外科领域，目前世界上最先进的作为商品出售的手术机器人和使用最广泛的主要是由,Intuitive Surgical,公司制造的“达芬奇”机器人手术系统。,11.3,各类医疗机器人的介绍,63,“,达芬奇”系统机器人手术系统：,该系统的手术设备分主要分为,3,部分,:,（,1,）手术医师操作的主控台,;,（,2,）机械臂、摄像臂和手术器械组成的移动平台；,（,3,）三维成像视频影像平台。,11.3,各类医疗机器人的介绍,64手术机器人,“,达芬奇,”,-,左：外科医生和控制台 中：助手，机械手和手术台 右：视频系统（实际上视频系统可以在控制台和其他需要的地方被看到）,美国的“达芬奇,S”,机器人手术系统,65,手术时需要两名针对“达芬奇”系统进行过专门训练的医生，主刀医生在控制台控制机器手臂的运作，另一名医生在病人旁协助。,“达芬奇”系统是一种视频操纵系统，操作者与机器手臂间通过电路相连。医生控制台装有三维视觉系统和动作定标系统，医生手臂、手腕和手指的运动通过传感器在电脑中精确记录下来，并同步翻译给机器手臂。振动消除系统和动作定标系统保证了机械臂在狭小的手术野内进行精确的操作。,11.3,各类医疗机器人的介绍,66,在,3,个机械手臂中，中间的手臂连接胸腔内镜，其通常包括,2,个平行的内镜以,建立三维视图,。手术野图像被,放大,10,倍后以最佳的视觉效果在监视器上显示出来,，左右两支机械手臂均安装有类似手腕关节的机械腕，可以灵活的控制末端的特制的手术器械。,11.3,各类医疗机器人的介绍,67,机器人手术的优点，,它具有三维的图像、机械臂有七个自由度、手术医师能舒适的坐在较远距离外操纵机器进行手术。,机械臂增加了活动的自由度，大大的提高了手术医师的操作能力。,11.3,各类医疗机器人的介绍,68,此外，还能将控制柄的大幅度移动按照比例转换成患者体内的精细动作。恢复合适的眼手协调性和符合人体生态学的位置。,它具有的,三维视觉和深度知觉较传统,的腔镜摄像系统有了很大的提高，不怕放射性物质和感染性疾病。,11.3,各类医疗机器人的介绍,69,机器人系统使得一些原先手术医师在技术上很困难甚至几乎不可能的一些问题变得可能。所有的这些优点,提高了图像的分辨率,，结合自由度的提高和灵活性的增强，将极大的提高手术医师对分离解剖组织的,鉴别能力,。,机械臂增加了活动的自由度，大大提高了手术医生的,操作能力,，保证了高难度动作的完成并增加了手术可覆盖范围。,11.3,各类医疗机器人的介绍,服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有意于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。这里，我们把其它一些贴近人们生活的机器人也列入其中。,服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、,康复,、保安、救援、,护理、,监护等工作。,服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员,。,70,3.2.,服务机器人,11.3,各类医疗机器人的介绍,71,服务机器人的工作环境多是非确定性的环境，如办公室、家庭居室、医院、养老院等，,由于这种环境下物品的复杂性和多样性，以及人和障碍物的动态随机移动造成机器人工作环境变化,，使得服务机器人导航定位研究具有更大的难度和挑战性，并成为目前服务机器人广泛应用的制约瓶颈。（所以人们提出了,智能环境,-,智能空间,）,11.3,各类医疗机器人的介绍,72,11.3,各类医疗机器人的介绍,73,3.2.1,家庭环境智能空间建立,在家庭环境的某些区域装配上人工地标、无线传感器网络（,CCD,摄像头、无线射频标签,-,RF Tag,等）、执行器（显示器、顶棚投影机、智能家居等）、通讯网络设备和计算机系统，从而建立一个人,-,机器人共存的人工家庭服务环境；,智能空间能通过无线传感器网络感知其空间内部各对象发生的变化，通过网络与机器人进行信息传递，并进行记录、跟踪和管理。,11.3,各类医疗机器人的介绍,74,搭建具备信息处理、数据库管理和计算能力的客户,/,服务器模式,（,Client/Server,简称,C/S,）,的计算机系统。利用服务器实现智能空间中多种设备的数据共享，同时对感知设备获得的信息进行处理，然后将结果传给执行设备和机器人。,智,能,物,品,服务器,智能家具家电,摄,像,机,医疗器械,家庭娱乐,C/S,客户端,顶棚投影仪,服务机器人,智能空间组态示意图,75,实现了,智能环境中的物品搜寻与抓取,给出了不确定环境下任意位置、多种类物品的搜寻、定位、识别、抓取及运送过程的整体实现技术。为复杂环境下服务任务的完成提供了实用化的方法。,76,3.2.2,自主定位与导航,机器人与其所处的智能空间进行单工或双工的信息交互，并与本体局部传感器的多种信息融合，利用机器人的推理和学习能力来实现在未知的或半未知动态环境中基于与智能空间交互的移动机器人自主定位与导航。,11.3,各类医疗机器人的介绍,77,与智能空间交互的家政服务,使得自主机器人针对家庭环境下的多种类多操作方式的物品，利用智能空间信息确定操作方式，快速、准确、敏捷的完成物品的传递、整理等操作任务。,11.3,各类医疗机器人的介绍,78,行为识别与理解,通过智能空间的分布式视觉系统和机器人的视觉系统，多角度、多层次观察人的动作和姿态，并结合各种上下文信息，正确理解人的意图，实现对病人、老人和小孩等的行为动作进行监护，从而作出相应的反应，为其提供某些必要的服务。,11.3,各类医疗机器人的介绍,79,跌倒行为识别,以人的形态比和重心的变化速度为特征描述人跌倒过程中的静态和动态变化，实现对跌倒的识别。,特色：,同时考虑了静态和动态变化，有效地区分了正常躺下动作和异常跌倒动作。,11.3,各类医疗机器人的介绍,80,典型动作识别,首先提取人体动作序列的动作轮廓，然后用傅里叶描述子进行降维和轮廓描述，再用,PCA,获取主分量，最后进行识别。,特色：,计算量小，准确度高,但是，,对前景分割要求较高,目前正在研究具有较高鲁棒性的前景分割算法,11.3,各类医疗机器人的介绍,81,对智能空间进行区域划分，将人的位置和动作与智能空间的环境信息相关联。实现对人异常状况识别、意图推测等，由此推断人的需求，并给人提供主动服务。,11.3,各类医疗机器人的介绍,82,机器人病房巡视系统研究背景,住院病人采用分级护理制，,级护理约,20,分钟巡视一次，,1,名值班护士在,6-8h,内要不停巡视,30,名病人，体力、脑力和精神负荷巨大。,主客观原因造成的巡视不足，导致医疗纠纷不断，造成医院及医护人员精力和财力的无谓消耗。,随着机器人技术逐渐成熟，应用机器人辅助巡视，可显著降低值班护士的劳动强度及精神负荷，对于提高护理质量，具有重大现实意义。,全国现有三级甲等医院总计,1182,家,(2007,年,),，潜在用户需求巨大，市场前景广阔。并可方便推广到老人院等社会福利机构，社会影响深远。,11.3,各类医疗机器人的介绍,83,山东大学 第二医院住院部平面图,构建了具有无缝信息服务能力的病区智能空间,病房区,集中监控区,(,护士站,),病,人,活,动,区,病房区,住院病区智能空间由硬件和软件两个平台组成。,11.3,各类医疗机器人的介绍,84,住院病区智能空间硬件平台,在病房、休闲区和护士站分别装配上人工地标、无线传感器网络（,CCD,摄像头、无线射频标签,-RF Tag,等）、执行器（显示器、顶棚投影机等）、通讯网络设备和计算机系统，从而建立一个人,-,机器人 共存的人工服务环境。,可感知空间内部各对象发生的变化，进行记录、跟踪和管理，并通过网络与机器人进行信息传递。,11.3,各类医疗机器人的介绍,85,实现对智能空间硬件设施的管理，信息的无缝连接，为机器人病房巡视任务提供信息支持。,住院病区智能空间软件平台,智能空间软件平台,模型表示与,构建子系统,管理信息,子系统,分布式视觉,采集子系统,工作区域的,结构化信息、,地标与传感器,节点布置信息；,建立和维护相应的数据库，,包括病房、物品及病人信,息、异常情况报警、巡护,情况视频信息等；,包括图像分割、兴趣目标的快速检测与识别定位、多信息融合算法、人的异常行为,识别程序等。,11.3,各类医疗机器人的介绍,86,医院智能空间软件平台,医院智能空间软件平台主界面,控制按钮,病人信息,输入区,查询信息,显示区,病人信息管理系统软件界面,医院智能,空间地图,巡视任务,控制按钮,走廊摄像机,视频,本体摄像机,控制按钮,机器人初,始化按钮,病房巡视系统界面,本体摄像机,视频,病人信息,显示区,机器人,远程控制,连接巡视,机器人操作,机器人基,本运动控制,运动,参数设置,基本行为,控制,视频监控区,机器人实时,状态显示,巡视机器人远程操作平台界面,病人状态,信息显示,GP,R,S,回传,数据显示,病人活动区,摄像机视频,病人活动区视觉采集系统软件界面,GPS,数据,显示区,GPS,位置,显示区,视觉操作,设置按钮,87,移动机器人病房巡视,巡视机器人在智能空间的支持下，代替护士按照护理等级、护理规范进行病房巡视。协助医护人员及时发现病人住院过程中所出现的问题，提高病人满意度，减轻护理人员的劳动强度。,病房巡视及室外病人跟踪与监护,88,基于智能空间的服务机器人快速准确导航,89,病房巡视,病房巡视,B,E,C,D,A,病人信息验证,输液瓶查找,伤口及针头刺入部位,面部表情,生命监护仪及引流袋等,病房巡视及室外病人跟踪与监护,90,1,、,上位机监控平台软件架构,3,、定位摔倒检测监控平台界面,2,、数据提取处理流程,DGPS,定位,定位系统上位机监控平台设计,91,定位结果分析,DGPS,定位与摔倒检测报警系统,定位设备放置,室外定位应用,DGPS,定位系统应用情况与分析,DGPS,定位绝对误差,90%,以上落在,2,米以内,影响因素,：大气的对流层、电离层及地面高大的建筑物都会影响,GPS,对信号的接收，其中,天气,状况,、,场地复杂程度,是影响到,GPS,搜星的主要因素。,结论：,DGPS,定位误差可以控制在,2,米以内，满足室外特殊病人的定位跟踪要求。,92,惯导模块,AHRS,GPS,模块,控制器,GSM,模块,智能马甲,-,摔到检测、定位及报警系统,智能马甲系统,由包括,惯性导航模块,、,GPS,模块、控制器、,GSM,模块和监控界面组成。,基于神经网络的摔倒检测算法，可以准确地检测病人摔倒状态和位置信息，并通过,GSM,将该信息传到监护站，在监控画面上实时显示被测人员的状态和位置，当病人摔倒时，系统还通过短信发送到病人亲属手机进行报警。,93,室外特定病人的跟踪与监护,目标跟踪目标跟踪,主要包括背景建模、背景更新、前景提取、移动目标检测、跟踪策略等。,跟踪策略使用了基于最小距离的目标跟踪方法，,即分析同一目标在连续帧上的位置变化，以此为基础进行目标匹配。,对于人流量较少的休闲区完全可以满足要求。,94,室外特定病人的跟踪与监护,正常状态,病人外出,特定病人,目标粗定位及图像传输,指定目标,正常状态,异常状态,特定目标的跟踪,惯导定位模块,报警,95,服务器,惯导模块,GPS,GPRS,摄像机,人机交互,锁定目标并跟踪,如果病人状态,异常,，如摔倒，立即启动,报警,，对摔倒人员进行,GPS,定位、视觉跟踪，并迅速实施救助。,室外特定病人的跟踪与监护,异常状态,96,11.3.2,其他手术机器人：,1,、,腹部手术机器人,日本,JIKEI,大学医用诊断成像技术研究所的科研人员开发出一种袖珍腹部手术机器人。其最大尺寸仅,6mm,。据研制者介绍，该腹部机器人适合做各种腹腔内直视手术，也适合做心血管手术。新开发的手术机器人配备有一台立体摄像仪、两个操纵杆和一只直径,3mm,的柔性管（可作为仪器通道）。此外，该手术机器人还可配备,4D,超声波成像仪等设备，其通用性较强。,11.3,各类医疗机器人的介绍,97,2,、蛇形机器人,美国卡内基,-,梅隆大学的一个科研小组去年研制成一种蛇形手术机器人（,CARDIA-ARM,）。它有一个“蛇头”（内安装有摄像头和一些手术器