醫(yī)學(xué)上的虛擬人,虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

1、機(jī)器人用與醫(yī)學(xué)方面的資料

   醫(yī)療機(jī)器人是目前國(guó)外機(jī)器人研究領(lǐng)域中最活躍、投資最多的方向之一，其發(fā)展前景非常看好。近年來(lái)，醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)引起美、法、德、意、日等國(guó)家學(xué)術(shù)界的極大，研究工作蓬勃興起。二十世紀(jì)九十年代起，國(guó)際先進(jìn)機(jī)器人計(jì)劃(IARP)已召開(kāi)過(guò)多屆醫(yī)療外科機(jī)器人研討會(huì)DARPA己經(jīng)立項(xiàng)，開(kāi)展基于遙控操作的外科研究，用于戰(zhàn)傷模擬手術(shù)、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)。歐盟、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心也將機(jī)器人輔助外科手術(shù)及虛擬外科手術(shù)仿真系統(tǒng)作為重點(diǎn)研究發(fā)展的項(xiàng)目之一在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)出現(xiàn)醫(yī)療外科手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)化產(chǎn)品，并在臨床上開(kāi)展了大量的病例應(yīng)用研究。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 醫(yī)用機(jī)器人在臨床中的作用越來(lái)越受到人們的重視。外科手術(shù)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)作為外科醫(yī)生的第三只眼, 可以讓手術(shù)醫(yī)師看到手術(shù)部位的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 避免了因醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)不足而造成的手術(shù)失誤, 使手術(shù)更安全、更可靠、更精確、更科學(xué), 具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

現(xiàn)在, 它已經(jīng)成功地應(yīng)用到神經(jīng)外科、整形外科、泌尿科、脊椎、耳鼻喉科、眼科、膝關(guān)節(jié)切除以及腹腔鏡等眾多領(lǐng)域中。由此, 依靠醫(yī)學(xué)成像、裝置、傳感器、計(jì)算機(jī)和機(jī)械手等的輔助, 從一個(gè)開(kāi)放的、完全的人工手術(shù)到輔助醫(yī)生進(jìn)行最小侵入性手術(shù)。另外, 醫(yī)生在選擇最佳的手術(shù)路徑、執(zhí)行復(fù)雜的外科手術(shù)和提高手術(shù)的成功率等方面也受益匪淺。

創(chuàng)外科手術(shù)(MIS)技術(shù)興起于～mm,長(zhǎng)時(shí)間準(zhǔn)確把握手術(shù)器械會(huì)使醫(yī)生感到非常 疲勞,另外,由于醫(yī)生手部的顫抖而傳遞到器械末端的誤差也會(huì)隨之增大。而利用機(jī)器人技術(shù)就可以很好的解決上述問(wèn)題。因?yàn)闄C(jī)器人具有定位準(zhǔn)確、大大減低工作強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì),而且,它還可以通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)消顫、提高手術(shù)精度。創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上相比,系統(tǒng)針對(duì)性更強(qiáng),通常一種結(jié)構(gòu)只適用于一種手術(shù)操作。對(duì)于主從式機(jī)器人,在手術(shù)中,手術(shù)醫(yī)生的決策通過(guò)主手傳遞到從手,通過(guò)監(jiān)視從手的運(yùn)動(dòng)情況,調(diào)整或修正控制以達(dá)到預(yù)期的結(jié)果,實(shí)現(xiàn)創(chuàng)手術(shù)。由于從手系統(tǒng)直接作用于患者,它的性能高低直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能、手術(shù)的質(zhì)量、以及系統(tǒng)的安全性等等。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展, 型計(jì)算機(jī)無(wú)論從計(jì)算速度還是從內(nèi)存容量上都可以滿足手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的要。在我國(guó), 開(kāi)發(fā)基于型計(jì)算機(jī)的小型化、低成本、高精度的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)將是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

1、文獻(xiàn)綜述

與其它機(jī)器人相比，醫(yī)療機(jī)器人具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①其作業(yè)環(huán)境一般在醫(yī)院、街道、家庭及非特定的多種場(chǎng)合，具有移動(dòng)性與導(dǎo)航、識(shí)別及規(guī)避能力，以及智能化的人機(jī)交互界面。在需要人工控制的情況下，還要具備遠(yuǎn)程控制能力。②醫(yī)療機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象是人、人體信息及相關(guān)醫(yī)療器械，需要綜合工程、醫(yī)學(xué)、生物、藥物及社會(huì)學(xué)等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)開(kāi)展研究課題。③醫(yī)療機(jī)器人的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須以易消毒和滅菌為前提，安全可靠且無(wú)輻射。④以人作為作業(yè)對(duì)象的醫(yī)療機(jī)器人，其性能必須滿足對(duì)狀況變化的適應(yīng)性、對(duì)作業(yè)的柔軟性，對(duì)危險(xiǎn)的安全性以及對(duì)人體和精神的適應(yīng)性等。⑤醫(yī)療機(jī)器人之間及醫(yī)療機(jī)器人和醫(yī)療器械之間具有或預(yù)留通用的對(duì)接接口，包括信息通訊接口、人機(jī)交互接口、臨床輔助器材接口以及傷病員轉(zhuǎn)運(yùn)接口等。

從技術(shù)上講醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展是建立在以下幾種基本技術(shù)的基礎(chǔ)上：它們是機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、傳感器應(yīng)用技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)。根據(jù)用途醫(yī)療機(jī)器人大致可以分為救援機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人和康復(fù)機(jī)器人。

手術(shù)機(jī)器人在具備了機(jī)器人的基本特點(diǎn)同時(shí)，還有其自身的選位準(zhǔn)確、動(dòng)作精細(xì)、避免病人感染等特點(diǎn)。在血管縫合手術(shù)時(shí)，人工很難進(jìn)行細(xì)于1 mm以下的血管縫合，如果使用手術(shù)機(jī)器人， mm的精度；用手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)避免了醫(yī)生直接接觸患者的血液，大大減少了患者的感染危險(xiǎn)。

商業(yè)化的手術(shù)機(jī)器人最早出現(xiàn)在年，由美國(guó)Computer Motion研制，實(shí)質(zhì)上是一種聲控腹腔鏡自動(dòng)“扶鏡手”，命名為AESOP。手術(shù)機(jī)器人于年月首次成功實(shí)現(xiàn)了跨大西洋(美國(guó)紐約法國(guó)斯特拉斯堡)的機(jī)器人腹腔鏡膽囊切除術(shù)。目前，手術(shù)機(jī)器人不僅完成了普外科，還有腦神經(jīng)外科、心臟修復(fù)、膽囊摘除、人工關(guān)節(jié)置換、泌尿科和整形外科等方面的手術(shù)。

盡管如此，手術(shù)機(jī)器人還有許多方面需要不斷的完善和改進(jìn)，通過(guò)增加“人造視野”系統(tǒng)，可在手術(shù)過(guò)程中監(jiān)視術(shù)野，輔助術(shù)者做出判斷，增加手術(shù)的安全性；用軟件來(lái)處理觸覺(jué)和視覺(jué)圖像的整合、分割和合成；提供穩(wěn)定的觸覺(jué)控制，識(shí)別不同的人體組織，進(jìn)行關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)的圖像識(shí)別和圖像分割；具有良好的觸覺(jué)反饋和位置覺(jué)。

型機(jī)電技術(shù)的不斷深入發(fā)展為小型機(jī)器人甚至納米機(jī)器人提供了技術(shù)支持,它可以直接進(jìn)入人體器內(nèi)部進(jìn)行工作,完成組織取樣、血管疏通、藥物定點(diǎn)放置、型手術(shù)和細(xì)胞操作等普通醫(yī)療技術(shù)和手段無(wú)法完成的工作。目前，國(guó)外正在研制和開(kāi)發(fā)體內(nèi)自主行走式診斷治療、體內(nèi)細(xì)手術(shù)和體內(nèi)藥物直接投放型外科手術(shù)機(jī)器人。醫(yī)生用注射器將型機(jī)器人推入人體內(nèi)部,由它所攜帶的生物傳感器對(duì)人體組織進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有病變組織時(shí),型手術(shù)機(jī)器人對(duì)病變組織進(jìn)行直接手術(shù)和藥物注射治療。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所成功研制出納米級(jí)精密定位系統(tǒng),在這個(gè)系統(tǒng)支持下的納米級(jí)高精密驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,能對(duì)細(xì)胞和染色體進(jìn)行“顯手術(shù)”。納米級(jí)機(jī)器人可在人體觀世界行走,隨時(shí)清除人體中的一切有害物質(zhì),修復(fù)損壞的基因,激活細(xì)胞能量,使人不僅僅保持健康,而且延長(zhǎng)壽命。

醫(yī)療機(jī)器人將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域，極大的推動(dòng)了現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，是現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生裝備的發(fā)展方向之一。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新、社會(huì)的老齡化和現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的高技術(shù)化，以及醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，各療機(jī)器人及其輔助醫(yī)療技術(shù)將得到更深入而廣泛的研究和應(yīng)用,促進(jìn)醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展。

空間定位技術(shù)

在計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)中, 空間定位是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵, 直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的精度和計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)的成敗。其作用就是實(shí)時(shí)測(cè)出手術(shù)器械的空間位置和姿態(tài), 根據(jù)定位傳感器的不同, 可分為機(jī)械定位、超聲定位、電磁定位和光學(xué)定位法。

（1）機(jī)械定位

機(jī)械定位是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)最初的定位方法, 屬于無(wú)源定位。定位用機(jī)械手至少應(yīng)有 mm。機(jī)械手定位的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)被阻塞, 不會(huì)被障礙遮擋, 同時(shí)可在特定位置夾住或放置手術(shù)器械。缺點(diǎn)是在手術(shù)中較為笨拙, 施加在機(jī)械手上的壓力可使數(shù)據(jù)發(fā)生變化, 同時(shí)存在固定裝置和制動(dòng)器的位移誤差。機(jī)械定位常用于無(wú)臂系統(tǒng)的標(biāo)定和檢查。

? (2) 超聲定位

通過(guò)測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間來(lái)測(cè)量超聲波發(fā)射器與接收器間的距離。在手術(shù)器械上放置N (至少大于3) 個(gè)發(fā)射器, 即可計(jì)算出手術(shù)器械的位置和姿態(tài)。該系統(tǒng)的絕對(duì)精度一般為5mm。超聲波定位的主要問(wèn)題在于溫度對(duì)超聲波的影響、空氣位移、空氣非均勻性以及發(fā)射器的大尺寸等。

? (3) 電磁定位

在電磁定位系統(tǒng)中, 每個(gè)電磁產(chǎn)生線圈定義一個(gè)空間方向, 3 個(gè)線圈確定三個(gè)空間方向, 然后再根據(jù)已知的相對(duì)位置關(guān)系就可以對(duì)目標(biāo)的空間位置進(jìn)行定位。電磁定位系統(tǒng)的精度為2mm。電磁定位的精度較高, 又屬于非接觸式定位。但系統(tǒng)磁場(chǎng)對(duì)工作空間中的任何金屬物體的引入都很敏感。

? (4) 光學(xué)定位

光學(xué)定位是目前手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的主流定位方法。以CCD 攝像機(jī)作為傳感器,測(cè)量目標(biāo)為安裝在手術(shù)器械上的幾個(gè)紅外發(fā)光二極管, 通過(guò)紅外發(fā)光二極管的空間位置, 計(jì)算出手術(shù)器械的位置和姿態(tài)。根據(jù)所用攝像機(jī)的不同, 光學(xué)定位可分為線陣CCD和面陣CCD兩種。面陣CCD 測(cè)量系統(tǒng)由兩個(gè)面陣CCD 攝像機(jī)組成, 采用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭, 在圖像中的每個(gè)光點(diǎn)定義了空間的一個(gè)投影線, 采用空間兩個(gè)攝像機(jī)可計(jì)算其對(duì)應(yīng)投影線的交點(diǎn), 獲得點(diǎn)的三維坐標(biāo)。線陣CCD 測(cè)量系統(tǒng)采用柱面鏡頭, 利用) , 其空間分辨率就很高, 典型的線陣CCD 導(dǎo)航系統(tǒng)精度在mm。光學(xué)定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是精度高, 處理靈活方便,但易受術(shù)中手的遮擋、周圍光線及金屬物體鏡面反射的影響。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí),簡(jiǎn)稱R技術(shù)（英文名為irtual Reality）.這一名詞是由美國(guó)PL創(chuàng)建人拉尼爾在年代初提出的，我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森將它翻譯為“靈境技術(shù)”它是將模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)合三為一，并利用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數(shù)據(jù)服、立體聲耳機(jī)、數(shù)據(jù)手套及腳踏板等傳感裝置，把操作者與計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬環(huán)境鏈接在一起。操作者通過(guò)傳感器與虛擬環(huán)境交互作用，可獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感知，并按照自己的意愿去改變的虛擬環(huán)境被稱之虛擬現(xiàn)實(shí)。

2、虛擬人的介紹

   研制“虛擬人”的目的，是為醫(yī)學(xué)或其他學(xué)科的研究提供更為精致的演示條件。比如，研究手術(shù)方案或試驗(yàn)新型藥物，都可以讓“虛擬人”來(lái)充當(dāng)試驗(yàn)者。美國(guó)某研究所的研究人員，為了測(cè)試一種治療糖尿病新藥的療效，他們首先操控計(jì)算機(jī)讓“虛擬人”患上糖尿病。這個(gè)過(guò)程很簡(jiǎn)單，只是用鼠標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)擊，就“切除”了“虛擬人”的胰腺或其它器，并讓“虛擬人”的體重發(fā)生變化，幾秒鐘后一個(gè)健康的“虛擬人”就能變成一位糖尿病患者。然后，研究人員將試用新藥的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，不斷觀察“虛擬病人”的反應(yīng)，調(diào)整用藥劑量和用藥方法，最終得出結(jié)論。這種方法至少能為研究人員節(jié)省3年的時(shí)間?，F(xiàn)在，除了用于開(kāi)發(fā)糖尿病的新藥以外，研究人員還在嘗試用“虛擬人”對(duì)治療風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、哮喘病等其它新藥進(jìn)行測(cè)試。

此外，在軍事醫(yī)學(xué)上，也可以讓“虛擬人”來(lái)試驗(yàn)核武器、化學(xué)武器和生物武器對(duì)人體造成的各種疾患，以及治療方法。

用電腦制作“虛擬人”，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是采集各種人體數(shù)據(jù)。首先需要確定出一個(gè)理想的人體樣本；然后經(jīng)過(guò)尸體解剖、拍照、分析；再將數(shù)據(jù)輸入電腦進(jìn)行合成，從而制成一個(gè)完整的立體人類生理結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)研究工作，由美國(guó)最先進(jìn)行。他們于年提出了“可視虛擬人”的概念，并于年制成了世界第一具男性“虛擬人”。年又通過(guò)對(duì)一具女尸的解剖，在電腦中儲(chǔ)存了高達(dá)年時(shí)間建立具有東方人特征的數(shù)據(jù)庫(kù)。

我國(guó)對(duì)“虛擬人”的研究。在月日時(shí)分，我國(guó)首例女性虛擬人數(shù)據(jù)集在位于廣州市的解放軍第一軍醫(yī)大學(xué)構(gòu)建成功，這標(biāo)志著繼美國(guó)、韓國(guó)后，中國(guó)成為世界上第三個(gè)擁有本國(guó)虛擬人數(shù)據(jù)庫(kù)的國(guó)家。

虛擬人是指通過(guò)數(shù)字技術(shù)模擬真實(shí)的人體器而合成的三維模型。

這種模型不僅具有人體外形以及肝臟、心臟、腎臟等各個(gè)器的外貌，而且具備各器的新陳代謝機(jī)能，能較為真實(shí)地顯示出人體的正常生理狀態(tài)和出現(xiàn)的各種變化。

現(xiàn)在也指代一些依靠技術(shù)平臺(tái)制造的虛擬人物，如翎、洛天依等。

3、機(jī)器人用于醫(yī)學(xué)方面的資料

   我國(guó)重視醫(yī)學(xué) 機(jī)器人 研究 在我國(guó)，用來(lái)為骨折患者接骨的外科機(jī)器人醫(yī)生已經(jīng)研制成功。經(jīng)臨床實(shí)驗(yàn)，其手術(shù)成功率不僅高達(dá)百分之百，且比傳統(tǒng)人工方法縮短近一半時(shí)間。 這項(xiàng)名為“矯形外科雙平面導(dǎo)航技術(shù)與機(jī)器人系統(tǒng)”是國(guó)家分鐘，傳統(tǒng)手術(shù)時(shí)間則為約至分鐘；機(jī)器人手術(shù)平均X光暴露時(shí)間為分鐘。 并非幻想的納米醫(yī)學(xué)機(jī)器人 去年年月年后，科學(xué)家將研制出比第一代“納米蟲(chóng)”功能強(qiáng)大億倍的類似裝置，用來(lái)進(jìn)一步加快人類壽命增長(zhǎng)的速度。屆時(shí)，未來(lái)人類壽命有望達(dá)到數(shù)百年。 這并不是異想天開(kāi)，而是科學(xué)家們對(duì)納米技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行認(rèn)真評(píng)估之后作出的大膽猜想。在納米科技的世界里，所有的物體都只有細(xì)胞大小，科學(xué)需要以科幻小說(shuō)的方式來(lái)描述了。納米（十億分之一米）科技，雖然剛剛興起，卻正以飛快的速度發(fā)展著。 納米技術(shù)造就了極機(jī)器人，而由于極醫(yī)學(xué)機(jī)器人技術(shù)在各大醫(yī)院——至少是發(fā)達(dá)國(guó)家的各大醫(yī)院中普及，因心肌梗塞這樣的疾病而死亡的可能性變得乎其。 可以預(yù)期，納米醫(yī)學(xué)的發(fā)展，將會(huì)導(dǎo)致人類認(rèn)識(shí)世界、改造世界的一次大飛躍，使醫(yī)學(xué)領(lǐng)域乃至整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)生重大變革。

醫(yī)療機(jī)器人是目前國(guó)外機(jī)器人研究領(lǐng)域中最活躍、投資最多的方向之一，其發(fā)展前景非?？春?。近年來(lái)，醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)引起美、法、德、意、日等國(guó)家學(xué)術(shù)界的極大，研究工作蓬勃興起。二十世紀(jì)九十年代起，國(guó)際先進(jìn)機(jī)器人計(jì)劃(iarp)已召開(kāi)過(guò)多屆醫(yī)療外科機(jī)器人研討會(huì)darpa己經(jīng)立項(xiàng)，開(kāi)展基于遙控操作的外科研究，用于戰(zhàn)傷模擬手術(shù)、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)。歐盟、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心也將機(jī)器人輔助外科手術(shù)及虛擬外科手術(shù)仿真系統(tǒng)作為重點(diǎn)研究發(fā)展的項(xiàng)目之一在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)出現(xiàn)醫(yī)療外科手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)化產(chǎn)品，并在臨床上開(kāi)展了大量的病例應(yīng)用研究。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 醫(yī)用機(jī)器人在臨床中的作用越來(lái)越受到人們的重視。外科手術(shù)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)作為外科醫(yī)生的第三只眼, 可以讓手術(shù)醫(yī)師看到手術(shù)部位的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 避免了因醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)不足而造成的手術(shù)失誤, 使手術(shù)更安全、更可靠、更精確、更科學(xué), 具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

現(xiàn)在, 它已經(jīng)成功地應(yīng)用到神經(jīng)外科、整形外科、泌尿科、脊椎、耳鼻喉科、眼科、膝關(guān)節(jié)切除以及腹腔鏡等眾多領(lǐng)域中。由此, 依靠醫(yī)學(xué)成像、裝置、傳感器、計(jì)算機(jī)和機(jī)械手等的輔助, 從一個(gè)開(kāi)放的、完全的人工手術(shù)到輔助醫(yī)生進(jìn)行最小侵入性手術(shù)。另外, 醫(yī)生在選擇最佳的手術(shù)路徑、執(zhí)行復(fù)雜的外科手術(shù)和提高手術(shù)的成功率等方面也受益匪淺。

創(chuàng)外科手術(shù)(mis)技術(shù)興起于～mm,長(zhǎng)時(shí)間準(zhǔn)確把握手術(shù)器械會(huì)使醫(yī)生感到非常 疲勞,另外,由于醫(yī)生手部的顫抖而傳遞到器械末端的誤差也會(huì)隨之增大。而利用機(jī)器人技術(shù)就可以很好的解決上述問(wèn)題。因?yàn)闄C(jī)器人具有定位準(zhǔn)確、大大減低工作強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì),而且,它還可以通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)消顫、提高手術(shù)精度。創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上相比,系統(tǒng)針對(duì)性更強(qiáng),通常一種結(jié)構(gòu)只適用于一種手術(shù)操作。對(duì)于主從式機(jī)器人,在手術(shù)中,手術(shù)醫(yī)生的決策通過(guò)主手傳遞到從手,通過(guò)監(jiān)視從手的運(yùn)動(dòng)情況,調(diào)整或修正控制以達(dá)到預(yù)期的結(jié)果,實(shí)現(xiàn)創(chuàng)手術(shù)。由于從手系統(tǒng)直接作用于患者,它的性能高低直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能、手術(shù)的質(zhì)量、以及系統(tǒng)的安全性等等。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展, 型計(jì)算機(jī)無(wú)論從計(jì)算速度還是從內(nèi)存容量上都可以滿足手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的要。在我國(guó), 開(kāi)發(fā)基于型計(jì)算機(jī)的小型化、低成本、高精度的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)將是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

1、文獻(xiàn)綜述

與其它機(jī)器人相比，醫(yī)療機(jī)器人具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①其作業(yè)環(huán)境一般在醫(yī)院、街道、家庭及非特定的多種場(chǎng)合，具有移動(dòng)性與導(dǎo)航、識(shí)別及規(guī)避能力，以及智能化的人機(jī)交互界面。在需要人工控制的情況下，還要具備遠(yuǎn)程控制能力。②醫(yī)療機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象是人、人體信息及相關(guān)醫(yī)療器械，需要綜合工程、醫(yī)學(xué)、生物、藥物及社會(huì)學(xué)等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)開(kāi)展研究課題。③醫(yī)療機(jī)器人的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須以易消毒和滅菌為前提，安全可靠且無(wú)輻射。④以人作為作業(yè)對(duì)象的醫(yī)療機(jī)器人，其性能必須滿足對(duì)狀況變化的適應(yīng)性、對(duì)作業(yè)的柔軟性，對(duì)危險(xiǎn)的安全性以及對(duì)人體和精神的適應(yīng)性等。⑤醫(yī)療機(jī)器人之間及醫(yī)療機(jī)器人和醫(yī)療器械之間具有或預(yù)留通用的對(duì)接接口，包括信息通訊接口、人機(jī)交互接口、臨床輔助器材接口以及傷病員轉(zhuǎn)運(yùn)接口等。

從技術(shù)上講醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展是建立在以下幾種基本技術(shù)的基礎(chǔ)上：它們是機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、傳感器應(yīng)用技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)。根據(jù)用途醫(yī)療機(jī)器人大致可以分為救援機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人和康復(fù)機(jī)器人。

手術(shù)機(jī)器人在具備了機(jī)器人的基本特點(diǎn)同時(shí)，還有其自身的選位準(zhǔn)確、動(dòng)作精細(xì)、避免病人感染等特點(diǎn)。在血管縫合手術(shù)時(shí)，人工很難進(jìn)行細(xì)于1 mm以下的血管縫合，如果使用手術(shù)機(jī)器人， mm的精度；用手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)避免了醫(yī)生直接接觸患者的血液，大大減少了患者的感染危險(xiǎn)。

商業(yè)化的手術(shù)機(jī)器人最早出現(xiàn)在年，由美puter motion研制，實(shí)質(zhì)上是一種聲控腹腔鏡自動(dòng)“扶鏡手”，命名為aep。手術(shù)機(jī)器人于年月首次成功實(shí)現(xiàn)了跨大西洋(美國(guó)紐約法國(guó)斯特拉斯堡)的機(jī)器人腹腔鏡膽囊切除術(shù)。目前，手術(shù)機(jī)器人不僅完成了普外科，還有腦神經(jīng)外科、心臟修復(fù)、膽囊摘除、人工關(guān)節(jié)置換、泌尿科和整形外科等方面的手術(shù)。

盡管如此，手術(shù)機(jī)器人還有許多方面需要不斷的完善和改進(jìn)，通過(guò)增加“人造視野”系統(tǒng)，可在手術(shù)過(guò)程中監(jiān)視術(shù)野，輔助術(shù)者做出判斷，增加手術(shù)的安全性；用軟件來(lái)處理觸覺(jué)和視覺(jué)圖像的整合、分割和合成；提供穩(wěn)定的觸覺(jué)控制，識(shí)別不同的人體組織，進(jìn)行關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)的圖像識(shí)別和圖像分割；具有良好的觸覺(jué)反饋和位置覺(jué)。

型機(jī)電技術(shù)的不斷深入發(fā)展為小型機(jī)器人甚至納米機(jī)器人提供了技術(shù)支持,它可以直接進(jìn)入人體器內(nèi)部進(jìn)行工作,完成組織取樣、血管疏通、藥物定點(diǎn)放置、型手術(shù)和細(xì)胞操作等普通醫(yī)療技術(shù)和手段無(wú)法完成的工作。目前，國(guó)外正在研制和開(kāi)發(fā)體內(nèi)自主行走式診斷治療、體內(nèi)細(xì)手術(shù)和體內(nèi)藥物直接投放型外科手術(shù)機(jī)器人。醫(yī)生用注射器將型機(jī)器人推入人體內(nèi)部,由它所攜帶的生物傳感器對(duì)人體組織進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有病變組織時(shí),型手術(shù)機(jī)器人對(duì)病變組織進(jìn)行直接手術(shù)和藥物注射治療。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所成功研制出納米級(jí)精密定位系統(tǒng),在這個(gè)系統(tǒng)支持下的納米級(jí)高精密驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,能對(duì)細(xì)胞和染色體進(jìn)行“顯手術(shù)”。納米級(jí)機(jī)器人可在人體觀世界行走,隨時(shí)清除人體中的一切有害物質(zhì),修復(fù)損壞的基因,激活細(xì)胞能量,使人不僅僅保持健康,而且延長(zhǎng)壽命。

醫(yī)療機(jī)器人將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域，極大的推動(dòng)了現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，是現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生裝備的發(fā)展方向之一。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新、社會(huì)的老齡化和現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的高技術(shù)化，以及醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，各療機(jī)器人及其輔助醫(yī)療技術(shù)將得到更深入而廣泛的研究和應(yīng)用,促進(jìn)醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展。

空間定位技術(shù)

在計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)中, 空間定位是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵, 直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的精度和計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)的成敗。其作用就是實(shí)時(shí)測(cè)出手術(shù)器械的空間位置和姿態(tài), 根據(jù)定位傳感器的不同, 可分為機(jī)械定位、超聲定位、電磁定位和光學(xué)定位法。

（1）機(jī)械定位

機(jī)械定位是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)最初的定位方法, 屬于無(wú)源定位。定位用機(jī)械手至少應(yīng)有 mm。機(jī)械手定位的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)被阻塞, 不會(huì)被障礙遮擋, 同時(shí)可在特定位置夾住或放置手術(shù)器械。缺點(diǎn)是在手術(shù)中較為笨拙, 施加在機(jī)械手上的壓力可使數(shù)據(jù)發(fā)生變化, 同時(shí)存在固定裝置和制動(dòng)器的位移誤差。機(jī)械定位常用于無(wú)臂系統(tǒng)的標(biāo)定和檢查。

? (2) 超聲定位

通過(guò)測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間來(lái)測(cè)量超聲波發(fā)射器與接收器間的距離。在手術(shù)器械上放置n (至少大于3) 個(gè)發(fā)射器, 即可計(jì)算出手術(shù)器械的位置和姿態(tài)。該系統(tǒng)的絕對(duì)精度一般為5mm。超聲波定位的主要問(wèn)題在于溫度對(duì)超聲波的影響、空氣位移、空氣非均勻性以及發(fā)射器的大尺寸等。

? (3) 電磁定位

在電磁定位系統(tǒng)中, 每個(gè)電磁產(chǎn)生線圈定義一個(gè)空間方向, 3 個(gè)線圈確定三個(gè)空間方向, 然后再根據(jù)已知的相對(duì)位置關(guān)系就可以對(duì)目標(biāo)的空間位置進(jìn)行定位。電磁定位系統(tǒng)的精度為2mm。電磁定位的精度較高, 又屬于非接觸式定位。但系統(tǒng)磁場(chǎng)對(duì)工作空間中的任何金屬物體的引入都很敏感。

? (4) 光學(xué)定位

光學(xué)定位是目前手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的主流定位方法。以ccd 攝像機(jī)作為傳感器,測(cè)量目標(biāo)為安裝在手術(shù)器械上的幾個(gè)紅外發(fā)光二極管, 通過(guò)紅外發(fā)光二極管的空間位置, 計(jì)算出手術(shù)器械的位置和姿態(tài)。根據(jù)所用攝像機(jī)的不同, 光學(xué)定位可分為線陣ccd和面陣ccd兩種。面陣ccd 測(cè)量系統(tǒng)由兩個(gè)面陣ccd 攝像機(jī)組成, 采用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭, 在圖像中的每個(gè)光點(diǎn)定義了空間的一個(gè)投影線, 采用空間兩個(gè)攝像機(jī)可計(jì)算其對(duì)應(yīng)投影線的交點(diǎn), 獲得點(diǎn)的三維坐標(biāo)。線陣ccd 測(cè)量系統(tǒng)采用柱面鏡頭, 利用) , 其空間分辨率就很高, 典型的線陣ccd 導(dǎo)航系統(tǒng)精度在mm。光學(xué)定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是精度高, 處理靈活方便,但易受術(shù)中手的遮擋、周圍光線及金屬物體鏡面反射的影響。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí),簡(jiǎn)稱vr技術(shù)（英文名為virtual reality）.這一名詞是由美國(guó)vpl創(chuàng)建人拉尼爾在年代初提出的，我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森將它翻譯為“靈境技術(shù)”它是將模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)合三為一，并利用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數(shù)據(jù)服、立體聲耳機(jī)、數(shù)據(jù)手套及腳踏板等傳感裝置，把操作者與計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬環(huán)境鏈接在一起。操作者通過(guò)傳感器與虛擬環(huán)境交互作用，可獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感知，并按照自己的意愿去改變的虛擬環(huán)境被稱之虛擬現(xiàn)實(shí)。

機(jī)器人用于醫(yī)學(xué)方面的資料如下：

醫(yī)療機(jī)器人是目前國(guó)外機(jī)器人研究領(lǐng)域中最活躍、投資最多的方向之一，其發(fā)展前景非?？春?。近年來(lái)，醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)引起美、法、德、意、日等國(guó)家學(xué)術(shù)界的極大，研究工作蓬勃興起。二十世紀(jì)九十年代起，國(guó)際先進(jìn)機(jī)器人計(jì)劃(IARP)已召開(kāi)過(guò)多屆醫(yī)療外科機(jī)器人研討會(huì)DARPA己經(jīng)立項(xiàng)，開(kāi)展基于遙控操作的外科研究，用于戰(zhàn)傷模擬手術(shù)、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)。歐盟、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心也將機(jī)器人輔助外科手術(shù)及虛擬外科手術(shù)仿真系統(tǒng)作為重點(diǎn)研究發(fā)展的項(xiàng)目之一在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)出現(xiàn)醫(yī)療外科手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)化產(chǎn)品，并在臨床上開(kāi)展了大量的病例應(yīng)用研究。

與其它機(jī)器人相比，醫(yī)療機(jī)器人具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①其作業(yè)環(huán)境一般在醫(yī)院、街道、家庭及非特定的多種場(chǎng)合，具有移動(dòng)性與導(dǎo)航、識(shí)別及規(guī)避能力，以及智能化的人機(jī)交互界面。在需要人工控制的情況下，還要具備遠(yuǎn)程控制能力。②醫(yī)療機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象是人、人體信息及相關(guān)醫(yī)療器械，需要綜合工程、醫(yī)學(xué)、生物、藥物及社會(huì)學(xué)等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)開(kāi)展研究課題。③醫(yī)療機(jī)器人的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須以易消毒和滅菌為前提，安全可靠且無(wú)輻射。④以人作為作業(yè)對(duì)象的醫(yī)療機(jī)器人，其性能必須滿足對(duì)狀況變化的適應(yīng)性、對(duì)作業(yè)的柔軟性，對(duì)危險(xiǎn)的安全性以及對(duì)人體和精神的適應(yīng)性等。⑤醫(yī)療機(jī)器人之間及醫(yī)療機(jī)器人和醫(yī)療器械之間具有或預(yù)留通用的對(duì)接接口，包括信息通訊接口、人機(jī)交互接口、臨床輔助器材接口以及傷病員轉(zhuǎn)運(yùn)接口等。

例如：

1、外科手術(shù)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)作為外科醫(yī)生的第三只眼, 可以讓手術(shù)醫(yī)師看到手術(shù)部位的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 避免了因醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)不足而造成的手術(shù)失誤,

使手術(shù)更安全、更可靠、更精確、更科學(xué), 具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

2、 它已經(jīng)成功地應(yīng)用到神經(jīng)外科、整形外科、泌尿科、脊椎、耳鼻喉科、眼科、膝關(guān)節(jié)切除以及腹腔鏡等眾多領(lǐng)域中。由此,

依靠醫(yī)學(xué)成像、裝置、傳感器、計(jì)算機(jī)和機(jī)械手等的輔助, 從一個(gè)開(kāi)放的、完全的人工手術(shù)到輔助醫(yī)生進(jìn)行最小侵入性手術(shù)。另外,

醫(yī)生在選擇最佳的手術(shù)路徑、執(zhí)行復(fù)雜的外科手術(shù)和提高手術(shù)的成功率等方面也受益匪淺。

4、如何看待“普通醫(yī)生遲早被計(jì)算機(jī)替代”的觀點(diǎn)？

   這是肯定的，只是時(shí)間問(wèn)題。醫(yī)學(xué)上的診斷過(guò)程其實(shí)就是分類的過(guò)程，即判斷病人得的是什么病，分類是機(jī)器學(xué)習(xí)擅長(zhǎng)的。至于說(shuō)經(jīng)驗(yàn)，人工智能就是用病人的病例訓(xùn)練出來(lái)的，它的經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)于所有訓(xùn)練用病例的醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)總和，準(zhǔn)確率超過(guò)單個(gè)或幾個(gè)醫(yī)生，這是現(xiàn)在已經(jīng)通過(guò)實(shí)踐證明了的。人工智能不懂醫(yī)學(xué)知識(shí)照