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1、 南 京 理 工 大 学毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：学 号：0101140130专 业：机械设计制造及其自动化设计(论文)题目：无框架立体定向神经外科手术机器人机械部分设计指 导 教 师: 2005年 3月15日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述 摘要：本文主要介绍有关脑外科机器人的总体概况和发展情况，研究热点和展望。关键词：机器人，xRAY、CT、MRI图像，虚拟现实技术，微创伤，脑外科手术规划、仿真和导航 1.引言随着工业自动化化、航天、海洋、核工业等领域的发展,智能机器
2、人技术的应用越来越广泛。而智能机器人系统的实现，不仅决定于机器人的结构和机器人控制特性，更重要的是系统必须具有多传感器和智能控制系统。随着机器人高新技术的发展，机器人的应用领域已不再局限于传统的制造业，其在服务领域的应用正日益受到人们的关注。近年来，由于医务工作人员与科学工程技术人员的紧密配合，将先进的机器人技术、计算机图像技术、计算机控制技术和微创伤外科技术相结合，研究开发了许多类型的医用外科手术机器人系统,有的系统已应用于临床实践，一些研究成果已显示出巨大的潜在经济和社会效益。医疗机器人是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、人工智能、机器人等诸多
3、学科为一体的新型交叉研究领域。它是基于xRAY、CT、MRI图像的三维医疗模型，对医疗外科手术进行规划和虚拟操作，最后实现多传感器机器人的辅助定位和操作。这方面的研究不仅在提高手术的质量、减少手术创伤、缩短病人的恢复周期、降低病人和医院的开支等方面带来一系列的技术变革，也将改变传统医疗外科的许多概念，对新一代手术设备的开发与研制,对人工假体的设计,对医学的教学与研究，对临床或家庭的护理及康复工程等方面的发展也将产生深远的影响,并对机器人技术(Robotics)、计算机虚拟现实技术(Virtual reality)、机械电子学技术(mechatronics)等相关学科的理论与技术发展也产生了积极
4、推动作用。2.脑外科机器人相关技术在医用机器人系统中，医疗外科机器人的研究最为突出，占有相当重要的地位，医疗外科机器人系统的不断发展，从理论和应用上也提出了许多有待于进一步深人研究的问题，特别是适用于外科手术的机器人系统设计、系统集成和临床应用研究。下面，结合机器人和计算机辅助外科手术技术的发展历史，从脑外科手术规划、仿真和导航系统、微创伤脑外科系统、虚拟临场手术系统几个方面，回顾一下医疗脑外科机器人系统的发展情况。2.1脑外科手术规划、仿真和导航系统传统的外科手术，从诊断到手术的完成，主要依赖于医生的经验。以脑外科手术为例，由于病变部位是不可见的，医生只能根据病人的病理特征从经验出发进行诊断
5、和手术方案的制定，这种方法带有较大的或然性。在过去几十年里，以数学、放射物理学、软微电子技术和计算机信息处理技术的发展为基础，医疗影像学的发展非常迅速，如CT(Computeried Tomography) MRI(magnetic resonnance imaging) 、PET(Positron Emission Tomography)、DSA(digital Subtraction Angiography)、超声波成像、单光子发射断层扫描(SPECT)等，它们将人体的3D解剖信息压缩到2D的图像上，为疾病的诊断、病变点的定位、手术方案的确定提供了重要的依据，使得手术的安全性和手术的质量有
6、了明显的提高。尽管影像学的出现对医疗外科的发展有积极的推动作用，但它所提供的信息并不能满足外科手术的需要。 手术器械跟踪2D图像手术器械图形计算机 3D重建规划系统仿真系统导航系统医生图1：医疗外科手术规划、仿真和导航系统示意图近年来随着计算机图形学、图像学的发展，以及计算机图形处理速度的迅速提高，人们研究了从2D图像致3D图像的重构技术，重构的3D图像和手术器械跟踪技术相结合组成了医疗外科手术规划、仿真和导航系统，这类系统由于不直接参与手术操作，具有极好的安全性，被医生普通接受，目前已广泛用于临床，并形成产品。比较典型的一个产品是美国BrainLAB公司的VectorV2s60n系统，该系统
7、采用了基于标记点的图像空间和手术空间的映射方法，标记点在手术前被粘在病人身上,在器械跟踪上采用红外光学跟踪机制，3D重建也采用了体素建模方法,该系统主要用于脑外科手术，是一个已商品化的产品。采用光学手术器械跟踪的系统结构框图如图1所示，系统由三大部分组成：3D图像重建，手术器械跟踪，规划，仿真和导航软件系统。2.2微创伤脑外科系统这类手术又称显微脑外科，或内窥手术。它的特点是不需要在病人身体表面上有大的手术切口，有利于病人的康复和降低医疗费用。手术时，通过皮肤上的一个小孔将手术器械送人病人体内的病变部位，进而完成手术操作。传统的方法由于不能给医生提供工作空间的三维显示，也没有末端执行器的力和力
8、矩反馈信息，所以医生控制末端执行器还看一定的困难。引人机器人技术、远程操作技术(teleoperation)和临床感知技术则可以解决这个问题。目前许多研究小组正致力于将微型机器人技术应用于内窥镜，利用光纤传感器和压力传感器可以实时地监视末端执行器在体内的工作情况并加以控制。这类系统通常运用于脑外科中。该类早在1988年，系统临床实用化研究如加拿大的Yik SK研究的基于PUMA262的立体定向脑外科机器人系统，它主要研究解决了在机器人的局部工作空间提高机器人的绝对精度，使手术系统的最终误差能满足临床使用的要求。十几年来各国研制出许多微创外科机器人系统应用于立体定向外科手术. MINERlFA是
9、一种典型的立体定向外科机器人系统，它的机器人与CT固联在一起，病人头部固定在手术床上。机器人末端装有手术工具自动转换设备，可以根据医生需要更换手术工具。CT图像在手术过程中实时导引机器人末端的工具连续运动，完成医生规定的操作。waPler等人则研制了具有并联机构的微创外科机器人系统用于立体定向外科手术，机器人联接在C型臂上，插入颅内的内窥镜将手术的实时图像显示在计算机上，医生可以坐在手术台边操纵机器人完成手术。2.3 虚拟临场手术系统视频监视安全检测虚拟现实技术是90年代为科学界和工程界所关注的技术，它为人机交互界面的发展开创了新的领域。虚拟临场手术是机器人辅助外科手术系统与虚拟现实技术(vi
10、rtual reality)相结合的辅助外科技术。在过去的辅助手术系统中，医疗因像数据仅仅用来重构病人的解剖结构，而系统没有提供与这些医学数据直接地、深入地、实时地交互式测量和操作功能，所以未能充分发挥这些数据的科研和医疗价值。当虚拟现实技术被引人到医疗领域中以后，人们看到了一条很有前途的医疗外科手术方法。VR(Virtual Reality)一词指一种人机接口，它表现为三维画面空间中人机交互控制的高度灵活性。理想的接口可以通过视觉、力觉、听觉等方面的传感器对人的语言和姿态做出实时反应，允许使用者不仅和机器的画面打交道，还可以和其它使用者打交道。vR技术通过将人和传统的计算机接口及现实空间分解
11、开来，使人和计算机数据的关系发生根本性变化。在VR系统中，人们可以在任何级别上、从任何角度、任何位置来研究三维的虚拟模型。拥有这种接口的系统就不再仅仅提供一个手术中辅助定位和导向的作用，它还可以使医生在虚拟环境下进行手术规划和仿真，还可以作为医疗培训和教育的数据库。专家甚至预言，将来的虚拟临场医疗外科机器人手术系统允许医生进行异地手术，即某一地方的医生可通过电脑网络为另一处的病人作手术，由于VR中先进的力反馈传感技术，医生在模拟手术时还可以有真正工作的感觉。辅助规划 系统视频显示遥操作及临场感知图像处理系统通讯计算机通讯卫星通 讯计算机控 制计算机手术操作机器人图2：虚拟技术系统结构示意图 虚
12、拟临场机器人辅助外科手术系统涉及的技术领域更为广泛,但该类系统中存在的最大问题是通讯的延时性，即手术者观察到的现场情况是手术现场几秒钟或几分钟前的情况，延时的长短由手术者与手术现场的距离和通讯问络的信息传递速率决定，另一个存在的问题是目前vR技术中一些接口设备的性能还不够完善。所以还需要进一步的研究和探索,充分克服这些缺点,使其在性能上更加完备和优越。这类系统的结构如图2所示。手术时，手术者不在手术现场，手术由手术者在异地通过遥操作系统控制手术现场的机器人完成。手术器械上的受力情况通过临场感知系统从手术现场传递给手术者，手术现场的其他情况通过视频监视系统传送给手术者。3. 医疗外科机器人临床应
13、用研究 临床应用研究的首要课题是系统可行性研究，医疗外科机器人的可行性主要体现在它与传统的工业用机器人系统的区别上，这些区别主要表现在系统结构、实际应用、安全性和机器人的操作精度上。在系统结构上，工业用机器人一般要求有较强的通用性，既通过编程和末端工具的更换，机器入可以完成不同的操作，如一个焊接用机器人在更换末端工具后，经重新示教可以很方便的用于装配过程；而医疗外科机器人一般强调针对性，既一个系统只针对某一特定的手术,如用于脑外科的机器人系统不能简单地通过编程的变化和末端工具的更换而使系统用于胸外科。在实际应用上，工业用机器人一般采用示教再现技术，既一次示教重复操作；而在医疗外科机器人仍应用中
14、，即没有示教的过程，也没有再现的过程，每一次手术对机器人而言都是全新的，没有什么重复性可言。在安全性上，由于医疗外科机器人涉及到医生和病人的人身安全，所以它的安全性要求相对也比较高，医疗外科机器人安全性的一般要求是机器人必须运动在一定的工作范围内，当手术的切割的力超过力阀值或病人在机器人操作空间发生位置移动时手术必须自动停止，手术系统不是全自动的，操作是分阶段完成的，系统必须在任何时刻受医生的中断控制。在机器人的操作精度上，传统的工业用机器人的衡量参数为机器人的重复操作精度，对绝对运动精度一般不作要求；而在医疗外科机器人中，由于机器人的运动控制只要通过离线编程的方式进行，要求机器入要有高的绝对
15、运动精度。从上述区别不难看出;将一个机器人系统用于医疗外科手术所面临的主要问题，其中安全性的研究目前尚没有入能提出定量的衡量标准，它涉及医疗外科机器人的体系结构、机器人运动的机械约束、多传感器监测等技术。 在临床应用研究中，我们还必须考虑如何将机器人系统同手术环境融为一体，目前采用的方法有两个：一是将机器人与手术床固联，手术室与CT室合二为一，建立一个结构化的手术环境，这种方法的唯一不足是系统的造价昂贵，提高了手术的成本，增加了病人的负担:另一方法是非结构化环境下的系统集成，也就是立体定向脑外科机器人辅助系统中所采用的方法，它在病人完成CT扫描、手术开始时机器人系统才介入，通过映射测量和映射变
16、换实现机器人操作空间和手术操作空间的统一。 在临床应用研究中，另一个课题是如何提高系统的可操作性。辅助操作是分阶段自主完成的，在手术中非自主阶段机器人的运动目前还是用示教盘成是通过编程来实现的，在运动中机器人与其它手术器械或病人发生有碰撞是严格禁止的，因此用示教盘或是通过编程方法实现非自主阶段机器人的运动操作不论对医生或工程技术人员来说都是比较困难的。目前所有的医疗外科机器人系统在手术时均需要专业的机器人工程技术人员在场，完成机器人的运动控制操作，这严重限制了医疗外科机器人系统从实验阶段走向商品化，但目前对医疗外科机器人系统可操作性的研究尚无文献报道。4. 研究方向与发展目标医疗脑外科机器人是
17、一个多学科的交叉研究颖城，它涉及电子通讯技术、机器人的机构设计、机器人控制技术、计算机控制方法、计算机图像处理、计算机图形学、虚拟现实技术、医学和微创伤手术方法等等，涉及面广，研究内容广泛，因此医疗脑外科机器人系统的研究是一个具有相当难度的课题。目前医疗脑外科机器人系统的研究主要集中在几个方面： (1)机器人机构研究：研究新的机器人本体，以拓宽机器人辅助外科的应用范围。 (2)机器人运动控制和路径规划研究：使机器人的运动精度更高，当运动路径的选取更加科学时，系统整体的安全性就更好。 (3)虚拟现实技术和通讯技术在医疗外科机器人系统中的应用研究：使虚拟临场手术系统更加实用化。(4)临床应用研究：
18、任一个医疗外科机器人系统，在完成系统设计和实验室试验后均需要进行临床应用研究，以确定系统对临床应用环境的适应性。 (5)系统集成研究：在完成系统各组成部分的研制后，通过系统集成研究将各部分有机组织起来，使最终系统的性能获得最佳。 (6)操作界面研究：以进一步提高医疗外科机器人系统对非工程技术的可操作性。 (7)仿射变换研究：建立病人的某种图像信息与人体标准图谱的关系，以较低的成本和较高的速度获得用于规划、导航和仿真系统的病人三维立体模型。目前在国际上，高新的机器人技术在医疗领域的应用正在形成一个新的产业，我国政府有关部门已经开始关注这类医疗电子设备的研究与开发，并取得了突破性的成果，还有了几个
19、成功的手术案例。但总的来看，国内医用机器人系统的研究刚刚起步，有许多技术和软件的上支持问题都没有得到解决，虽然软件可以从国外进口，但进口软件的设计是针对外国患者体形的，由于东方人体形上的差异，进口软件的应用也受到了限制。因此在外科机器人有关技术和软件支持问题还有待进一步的研究。近年来，我国科学技术研究和应用取得了长足的进步，在先进机器人关键技术的研究也取得了许多重大突破，如冗余度机器人机构、多指灵巧手、传感器、局部自主控制以及全局行动规划等，这些关键技术可以直接推动医疗外科机器人系统的研究和发展。另外在国家支持和市场需求的推动下，相信医疗外科机器人系统的研究开发一定能够得到蓬勃发展。参 考 文
20、 献1. 岩明，机器人技术发展预测，机器人情报，1991：132. 王田苗，宗光华，张启先新应用领域的机器人医疗外科机器人机器人，1996：18(增刊)：603606 3. 林良明，丁洪，机器人技术在医疗和福利工程中的应用研究，世界医疗器械，1997:3(1)，46504. 丑胜武，王田苗，医用机器人与数字化医疗仪器设备的研究和发展，机器人技术与应用，2003年第4期5. 乔天富，吉尔，中国机器人初显身手，保健园地-医疗，2000年第7期6. 周洁，白木，令人敬佩的外科医生-机器人，世界发明，2001年第6期7. 陈梦东，王田苗，张启先，医疗外科机器人系统的研究和发展，国外医学生物医学工程分册
21、，1998年第21卷第4期8. 费保蔚，庄天戈，医用机器人与计算机辅助外科手术的进展和应用，北京生物医学工程1998年第17卷第1期9. 陈梦东，王田苗，田增民，李伟，立体定向脑外科机器人系统中的定位，中国生物医学工程学报，2001年第6期10. 丑胜武，王田苗，面向脑外科微创伤手术的医疗机器人系统，机器人技术与应用，2003年第7期11. 王田苗，田增民，赵吉祥，刘达，脑外科手术机器人的应用，海军医学杂志12. 景扶苇，王伯华，医用手术机器人，机器人技术与应用，2001年第4期13. 王田苗，田增民，数字化图像引导与无框架定位脑手术，中国医学影像技术14. 陈焕玉，计算机控制脑外科手术机器人
22、，医疗器械信息，1994年第4期15. 杨晓健，赵俊伟，张海波，应用无框架立体定向技术治疗丘脑出血体会，神经疾病与精神卫生2004年第4卷第2期 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：医用脑外科机器人机械机构设计1 引言 机器人技术、计算机技术、成像技术及图像处理技术与外科手术相结合，产生了一个崭新的研究领域医用机器人与计算机辅助外科手术。它综合了当今医学领域的先进设备：计算机断层扫描(CT)，磁共振成象(MRI)，正电子发射断层扫描(PET)，数字血管减影(DSA)，超声成像(US)以及医用机器人。它旨在利用CTMRIPETDSA等的图像信
23、息并结合立体定位系统对人体解剖结构进行显示和定位，在外科医生手术中利用医用机器人和计算机进行手术干预。它在手术中为外科医生提供了强有力的工具和方法。它在提高病灶定位精度，减少手术损伤，执行复杂外科手术，提高手术成功率等方面有卓越的表现，目前正受到世界各国科学家、工程技术人员及医疗工作者的高度重视，其技术不断进步，其应用日益广泛。2. 总体设计医用脑外科机器人是在手术的过程中，通过计算机发出的指令执行医生所要进行的动作，对病人实施手术，换个角度来说就是执行过程机器人取代了医生的角色。经过分析以后，总结出在机器人的结构设计过程中，应尽量考虑其许多制约因素，归纳其结构特点为：活动空间范围大，运动灵活
24、，刚度高，能完成多姿态的作业，并在设计中尽量简化传动链，降低质量，减少运动耦合，保持重力平衡，减小驱动功率，采用电机与关节轴相互分离的结构形式，电机及减速器等部件靠后面安装，动力与运动的长距离传递，选用同步齿形带传动。总的来说就是不但要实现机构的结构简单，工作可靠，且易于控制；而且要使总体低功耗，执行部分低惯量，高效率。2.1 整体结构脑外科机器人系统的整体结构可以笼统的分为检测部分、计算机控制部分及执行部分手术机器人。各个分模块之间相互协调配合，医生就是通过这个系统对病人进行安全精确的手术。整个系统各部分的之间的关系如图一所示。大体流程如下：首先把病人放在检测平台上，通过CT检测器对病人进行
25、扫描，并将扫描到的CT图像输入到计算机；在计算机上进行分析并模拟操作，锁定病灶，制定手术方案，设定手术空间，实现与机器人模拟空间吻合；最后经过计算机程序控制着机器人的智能机械臂搜索目标、对准靶点。随即智能机械臂将对病人进行手术操作。其间通过末端执行器的信息反馈不断进行调整，使得手术过程误差最小。PC 机手术机器人CT检测器病人头脑的CT图像信息CRT显示机器人的位置参数机器人控制信号病灶的三维 坐标参数 图一：脑外科手术机器人结构图2.2 计算机辅助外科手术主处理系统图一中所示的PC机即计算机辅助外科手术主处理系统，就是负责对手术整个过程的各种信息进行分析和处理，并发出指令控制机器人。它主要完
26、成三大功能：（1）数据获取及建模。包括多模图像数据CT的获取，数学模型的建立及医用机器人的校正。（2）手术前（preoperative）的处理。包括多模图像的配准，如CT的配准组织器官的三维显示，手术方案和手术路径的制定，手术前的手术模型等。（3）手术中（intra-operative）的处理。包括手术中数据获取，如多模图像数据、机器人参数、组织器官的位置等；组织器官、机器人、手术器械的术中显示；手术中配准及定位，包括多模图像配准，图像与定位系统手术器械相机器人的配准；术中导航，主要是引导手术的进行；机器人控制，主要是指令机器人按一定的要求进行手术干预。2.3 手术机器人手术机器人属于整个系统
27、的执行部分。首先说一下有关机器人的整体结构，基本上可以说是由两大部分组成：底座部分和机械手部分。底座部分的作用主要是固定机械手部分，它与机械手部分用转动副连接，能使机械手部分在手术空间能做180度空间内的任意转动，加大了机械手的灵活性。机械手部分主要负责手术的操作，它是由连杆结构组成，还有机械手的传动装置，以及用来反馈信息的传感器，与计算机部分可以整个组成机械手的控制部分，这样就大大提高了机械手的操作精度，减少了手术的失误率。机械手的控制部分的大体结构如下图2所示：计算机系统伺服控制器电机码盘数字量 I/O卡由机械手现场采集的I/O量图2：机械手控制部分结构图3 机械手设计机械手是机器人系统的
28、关键部分。作为自动化工具的机械手，它具有如下特点：它的执行机构是用来保证复杂空间运动的综合刚体，机械手通常可以看作是由一系列的连杆和相应的运动副组合而成，之间的相对运动由电机传动，实现复杂的运动，完成规定的操作。因此，作为研究机械手运动和控制的第一步，自然是研究这些连杆之间，以及和它们的控制对象之间的相对运动关系。采用矩阵法来描述机械手的运动学和动力学问题。这种数学描述能将运动、变换和映射与矩阵计算联系起来，描述刚体的位置和姿态的方法。对于机械的设计起了辅助作用。在其设计过程中，还需要考虑许多具体因素。在选择材料上应保证手臂刚度高，重量轻；选择传动机构的方式时，应考虑到：传动路线简洁、传动效率
29、高、机构变形小、重量轻、精度高；为使各部件能够正常工作，还应考虑到各机械部件之间的润滑效果。（1）材料选择：为保证手臂刚度高、重量轻的特点，大、小臂壳体选用新型复合材料；为降低成本，提高工艺性能，立柱与底座材料选用合金；轴、齿轮、轴承、以及其它构件的材料选用45号优质碳素结构钢和1CrUNi9Ti不锈钢。（2）选择传动机构：比较各种传动机构的优缺点，决定采用齿轮和同步齿形带相结合的传动机构，为防止同步齿形带在工作时被拉长变形，引起松动和振动，需要在齿形带外侧加设可调节的张紧轮。（3）润滑： 该机各部件能否正常运转，其寿命能否达到预期的时间，在很大程度上取决于各机械部件的润滑效果。由于其特殊的工
30、作环境，一般的润滑油脂是很难胜任的。从减少蒸发量和对周围环境的污染以及耐高温等角度考虑，选用固体润滑剂最为有利，而那些不适于用固体润滑的机械部件，则采用润滑脂润滑。（4）其他问题：限位,为确保机器人的精确归零和可靠地限位，各关节处均没有零位相正、反极限位置的行程开关。自锁、考虑到若发生突然性断电事故时，重力势能的变化可能导致冲击破坏。因此在手臂设计中应该自锁机构，一方面利用谐波减速器的自锁能力，另一方面利用继电器使直流电机向发电状态切换，且输出短路，以便产生转速阻尼。4 安全性考虑机器人的自由度比其它普通机械大得多，它的工作部件可以在较大空间内运行，具有高速运动的大功率手臂和复杂自主的动作，若机器人发生故障可能造成非常严重的危害。因而，确保机器人可靠、安全地运行是提高其使用效能的关键。虽然医用机器人的工作部件是低速运动，也应综合考虑各部件的安全因素，使手术过程更加安全，成功率更高。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：在大量阅读国内外文献基础上，文献综述较好地描述了国内外现状，提出了项目进行的思路，内容较好。2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 承担的内容是系统总体及部分机械结构的改型设计。设计的面较广，工作量合适，可以按时完成。 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日
