毕业设计（论文）开题报告无框架立体定向神经外科手术机器人精密手术执行机构设计.doc

南 京 理 工 大 学毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：滕大伟学 号：0101140126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 精密手术执行机构设计指 导 教 师:施祖康 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：医用机器人在提高诊断和治疗的质量方面起着越来越重要的作用，具有广阔的应用前景。对医用机器人的研究现状进行了分析和综述，探讨了国内外最新的研究成果，并对其今后的发展趋势进行了展望。关键词：医用机器人 立体定向 神经脑外科手术 引言 随着社会的进步和生活水平的不断提高，人类对自身疾病的诊断、治疗、预防以及卫生健康给予越来越多的关注。人们尝试将传统医疗器械与信息、微电子、新材料、自动化、精密制造、机器人等技术有机结合，以提高医疗诊断的准确性和治疗的质量。在这种情况下，医用机器人和数字化医疗仪器设备得到了迅速的发展，已经成为当今世界发展速度最快、贸易往来最活跃的高科技产业之一，堪称全球性的“朝阳工业”。医用机器人不仅可以协助医生完成手术部位的精确定位，而且可以实现手术最小损伤，提高疾病诊断、手术治疗的精度与质量，提高手术安全，缩短治疗时间，降低医疗成本。许多发达国家纷纷设立专项计划，研究和开发微创外科机器人，并将研究成果迅速转化为产品，形成新的产业，其发展速度远远超过一般工业，估计在今后五年里还会以每年2030的速度增长。 发展我国自己的医用机器人和数字化医疗设备产业，对于提高人民生活质量、促进医疗体制改革具有重要现实意义。同时，对于信息、新材料、自动化和机器人等交叉学科的前沿高技术发展、高层次人才培养、标准专利战略实施也都具有积极的促进作用。1.医用机器人的背景 近几年来，以医疗机器人和计算机辅助医疗外科技术为主要研究内容的虚拟手术已经成为越来越受到众多的学者和研究机构关注的国际前沿研究热点之一，并在手术领域掀起一场以达到最小侵入为目的的微创手术革命。 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。目前已经在医疗外科手术规划模拟、微损伤精确定位操作、无损伤诊断与检测、新型手术医学治疗方法等方面的应用。开展这方面的研究将促进传统医学的革命，在精确定位手术、最小创伤手术、提高手术质量等方面将带来一系列的技术变革，而且将改变常规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，对临床或家庭护理及康复工程等方面的发展产生深远的影响，并对智能机器人、计算机虚拟现实、微机械电子学等相关学科的新技术、新理论理的发展产生积极的推动作用。 国内医用机器人研究刚刚起步，其规模和范围尚不能满足外科手术发展的多样化需求。一些医院引进了国外高技术医疗器械公司的产品，一方面遇到了价格昂贵、维护成本高的突出问题，另一方面一些引进的产品不符合国情，过于超前或操作功能太复杂，不能有效发挥作用。因此，开展尤其是面向未来精确疾病检测高精尖医疗设备、微创外科医疗机器人、家庭卫生医疗健康等高新技术医疗器械将在中国具有广阔市场，具有显著的社会效益和经济效益。2.医用机器人的研究发展进展 微创外科手术可以分为内镜引导的微创手术和体外图像引导的微创手术两种类型。与传统手术相比，由于微创外科手术对健康组织的创伤小，并且病人体表伤口明显缩小，从而减少了各种手术并发症，提高了患者术中和术后身心舒适度，缩短了术后恢复时间，降低了住院费用。因此，受到医生和患者的普遍欢迎，是外科手术发展的必然趋势，具有广阔的应用前景。医用机器人用于微创医疗外科手术，可辅助医生进行术前诊断和手术规划，在手术中提供可视化导引或监视服务功能，辅助医生高质量地完成手术操作。其中立体定向外科手术是近年来迅速发展的微创伤外科手术的主要方法，但由于在手术中一直需要框架定位并支撑手术工具，从而给病人带来了一定痛苦和心理恐惧。另外人工调整导向装置，手续烦琐，消耗时间，精度有限。 医用机器人在手术中主要用于导航定位和辅助插入手术工具，可以使病人摆脱框架的痛苦，同时机器人辅助立体定向外科手术还具有操作稳定，定位精度高的优点。 早在1988年，加拿大YSKwoh研究了基于PUMA262的立体定向外科机器人系统，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。就国内而言，在我国863计划的支持下，由海军总医院和北京航空航天大学机器人所联合组成攻关小组，研究开发了机器人辅助无框架定位手术系统。从2001年截止目前，海军总医院全军神经外科中心，应用机器人辅助无框架定位手术系统共实施临床手术607例。3.医用机器人系统和数字化医疗仪器设备的研究展望 随着医学的发展和我国医疗体制改革的进行，传统的医疗观念也发生着变化，预防和保健得到了越来越多的重视。与这一需求和趋势相对应，医用机器人系统和数字化医疗仪器设备在保健、诊断、治疗、康复、服务等方面将发挥重要的作用。 在治疗、检测和康复方面，医用机器人的应用广度和深度将进一步得到加强，在手术质量、精确定位、手术安全等各种性能指标上有所提高，同时拓宽医用机器人的应用领域，探索新的医疗外科和治疗方法，如微创伤、内窥镜、xRAY辐射介入性治疗、显微外科、康复等，以及利用微小型机器人进行腹腔、肠道、静动脉等检测与治疗。另外，医疗机器人和遥控操作以及网络技术的结合，也将为遥控医学的发展奠定重要的基础。 结束语我国人口众多、医疗机构分布广泛，医用机器人和数字化医疗设备产业市场潜力很大，前景广阔。人世后全球采购的良好国际环境，也为在短时间内树立我国自己性能良好、可靠性高、价格适中的中国品牌数字化医疗设备创造了良好发展机遇。参考文献1） 丑武胜 王田苗. 医用机器人与数字化设备的研究和发展.机器人技术与应用,2003.42） 机器人技术主题2003年重点课题研究进展之二未来社会发展篇.机器人技术与应用,2004.23） 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,1998.17(1)4） 王永林. 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告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1脑外科医用机器人的设计依据立体定向神经外科是一门在不能直接看到手术区域的情况下引导精密仪器通过头颅的一个小孔进入大脑组织的技术。在手术中尽可能避开大脑中的重要组织器官如主要血管和运动中枢，最大限度地减少脑组织损伤是非常重要的。要这样就必须保证器械行程的直线路径。通过固定在病人头颅上的立体定位框架及框架上的引导器，器械沿导引器插入大脑中实现这种直线路径。这种装置通过一个角度设置、定标和游标系统使导引器定位到任何规定的路径上。对外科医生来说，唯一剩下的问题是确定手术区域的位置。采用的机器人与CT扫描仪相连，它的末端操纵器上装有一个探头引导器。它能用于CT引导的颅内肿瘤活检。一旦目标在CT图片上识别出来，一个简单的命令就可以使机器人移动到特定位置，从而使末端操纵器上的探头引导器指向该目标并进行定位，外科医生通过引导器将针插入到病人头颅（见图1）。与立体定位架相比，该方法通过机器人可以非常方便快速地进行定位。其定位精度也提高了，且实现了自动化。机器人的相对精度要达到0.05mm，对机器人的内部误差进行校正补偿后精度可达亚毫米级。校正过程采用一高精密的刚性台面和一个高精密物体进行。该高精密的物体可放在台面的不同位置上。机器人的末端操纵器上装有一器械，它可和台面上的物体配合给出精确的测量。机器人经过校正处理后可达五倍的精度。对于神经外科手术，在必须进行亚毫米级定位时，这种精度是很重要的。图1无框架立体定向系统结构框图将上图抽象成图2所示的方框图。 CT探测器PC机手术机器人显示器病人脑部CT图像信号机器人控制信号机器人位置参数病灶的二维坐标参数 图2脑外科手术机器人的构成2脑外科医用机器人的系统框架由于病人体表创伤较小，医生的视觉只能限制在体表，这就决定了医生在术前的手术规划和术中的手术操作主要依靠经验进行，所有操作都缺乏定量的描述，这既限制了手术规划的准确性又提高了术中操作的难度。因此，利用机器人精确进行该手术，除了需要了解医疗临床适应病理、操作流程等问题外，还在迫切需要解决以下问题： 1） 医用机器人本体设计 该手术种类繁多，任务复杂，应保障机器人的可靠性、安全性、可操作性满足手术的要求，包括灵巧机构设计、微小型传感器、控制器等；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。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。2） 计算机和机器人辅助规划 医用机器人系统工作过程可以分为数据获取、术前处理和术中处理三大阶段。针对具体手术特点，开发相应的计算机软件，实现在计算机上进行手术规划和手术模拟。手术中医生不能直接观察到病变部位，在计算机和机器人辅助下，保证手术器械准确快速地沿着规划路径穿刺到病灶靶点。 3） 数字化人体模型、映射变换、影像融台 建立病灶靶点和手术穿刺路径在二维图像和人体内部位置的空间关系转换，保证手术器械到达位置与医生的规划位置完全一致；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。 4）人机交互（力、光电、语音、操作杆）与手术安全性 给医生提供友好、易操作的人机交互界面和装置，准确固定手术器械位置，确保机器人精度和安全性满足微创手术的需要，以进一步提高医疗外科机器人系统对非工程技术人员的可操作性。 辅助规划系统图型计算机控制计算机安全检测腕力传感器图3系统结构示意图3系统机械部分脑外科医用机器人的设计和组成1）脑外科医用机器人的设计思路该医用机器人除了具有良好的可靠性、一定的作业空间外，其整体结构还必须有很好的静态和动态性能，尤其是动态性能将直接影响着机器人的工作效率、稳定性和可靠性。因此在总的设计方针中强调了如下的指导思想：(1)重量轻、体积小、结构简单、工作可靠，且易于控制。(2)低功耗、低惯量、高效率。(3)长寿命。另外，由于手术机器人处理对象的特性与工业应用的情况有很大差异，因此要求手术机器人具有十分细致、柔顺的操作性能。同时对由驱动器、传感器和机械组成的系统，在安全性和可靠性等方面相对要比对高速性、输出力及高效率的要求更为重要。因此要求从机器人设计的每个环节来保证机器人的可靠性和安全性，避免因机器人的故障或操作失误导致机器人对周围环境的伤害。2）脑外科医用机器人的组成 脑外科医用机器人主要由驱动部分、传动部分、框架部分及附属部分组成。四部分为脑外科医用机器人机构的核心和支柱，缺一不可。其系统结构如图3示。驱动部分为脑外科医用机器人机构的动力源，直接驱动医用机器人机构的运动，它也属于控制部分的一部分，控制机械手臂的转动。驱动部分的主要部件是步进电机。这是这一部分的核心。其他零件有减速器和法兰盘，减速器通过法兰盘与电机相连。传动部分为脑外科医用机器人机构的运动中枢，这一部分带动机械臂在驱动部分的驱动和控制下转动。框架部分撑起整个脑外科医用机器人机构，为机械部分的支柱。由于整个机器人机构是一个比较大的自动化机械，如果想要放入医院的手术室里，那它最好要便于拆卸，而且质量比较轻。因此我们采用铝合金型材作为脑外科医用机器人机构的材料，该型材质量较轻，而且方便安装和拆卸，安装后承载力大，完全可以符合系统的要求。附属部分为机械手上所持器械，这一部分的设计要保证机械手与器械之间的摩擦足够大，器械在手术中的移动与旋转时不会发生相对移动。不会对手术要求精度产生影响。4驱动部分综合概述 驱动部分与电机和减速器组成，两部分通过法兰盘连接。该部分为脑外科医用机器人机构的动力装置，也是其机械手臂运动的控制装置。计算机将指令发送到电机，电机按照指令转动一定角度，然后通过减速器后将动力传到运动轴上然后整个系统动起来。这一部分相当于人的大脑，直接驱使并控制系统的运动。电机通过运动控制卡与计算机连接，这样计算机根据病人的实际病灶所处位置计算出手术的最优途径，然后转换成信号传送到电机上面，从而控制电机的运动。5传动部分综合概述脑外科医用机器人机构的传动部分，作用相当于人的肌肉，它把驱动装置的动力传递给链条、链轮、传动轴以及机械手，使他们运动。这一部分是脑外科医用机器人机构的中轴，实现了机械臂的运动和机械手的具体操作，它主要包括主动轴、从动轴、轴承座三大部件以及其他零件。主动轴中包括从动链轮、大链轮、主动轴、套筒等零件；从动轴中包括大链轮、从动轮、套筒等零件；轴承座包括上下箱体、挡环、轴承盖等零件。这一部分也是脑外科医用机器人机械设计部分的设计重点，因为这是零件最多的一部分。6。框架部分综合概述 框架相当于整个脑外科医用机器人机构的骨骼部分，支撑起整个机械部分。所有的零部件都要直接或者间接的安装在框架上，因此只一部分也承担了这一部分的所有重量。此外，框架的大小还直接决定了整个脑外科医用机器人机构的大小。此外，电机和减速器连接成的驱动装置也通过减速器安装在框架上。这些零部件的重量加起来比较大，而且它们运动时给框架一个动载荷，这样就要求框架必须相当牢靠，而且载荷能力比较强。框架设计要求应具有以下几点：1）材料轻，便于搬运。2）材料坚固，承载量大。3）外观整洁，美观。4）使用六角螺栓和外角连接件连接，便于装卸，安装牢固。5）有固定的规格，便于设计和购买。 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，并初步阐述所要设计机器人的基本要求，主要工作及难点。文献综述文章通顺，达到教学目的。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： 课题是国康机器人公司的产品开发项目，属国内外刚起步的研制内容。在机器人技术、机械设计、计算机控制及电机伺服等方面均需有一定知识，有一定深度和难度。但在原“被动式脑神经外科手术机器人”基础上进行改型设计。故大大减轻了同学的难度和工作量，预计可以按时完成。 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日