机械设计制造及自动化专业毕业设计(论文)外文资料翻译.doc

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1、 南 京 理 工 大 学毕业设计(论文)外文资料翻译学院（系）： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及自动化 姓 名： 学 号： (用外文写)外文出处：Computer Aided Surgery, November 2001 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语：翻译基本正确，中文叙述通顺。达到教学要求。 签名： 年 月 日注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文外科手术机器人的现状：临床应用和技术挑战摘要从第一个用于外科手术的机器人被记录以来，15年已经过去了。而医用机器人还没有出现大规模使用的情况，尽管在提高医用能力和手术精度方面还有很大的潜力，但

2、临床使用的机器人还比较少。在这个调查报告中，我们以对医用机器人的发展史的简要回顾为开端，接下来是对机器人在临床使用情况的一个概述，然后是对于临床应用的讨论，这里包括了神经外科，整形外科，泌尿科，面部整形外科,放射外科，眼科和心脏外科手术。我们将关于医用机器人的技术挑战和研究领域总结成一张表, 包括系统构建，软件设计,机构的设计,图像系统，使用者接口和安全协题等几部分。关键字医用机器人,回顾文章，技术挑战，神经外科，整形外科,泌尿科，面部整形外科放射外科 ，眼科，心脏外科1.0 介绍医用机器人在提高外科医生的手术能力和手术精度方面存在着极大的潜力，而我们对于医用机器人的应用仅仅处于起步阶段，关于

3、它的实用性、安全性、费用等问题也摆在了我们的面前，尽管有许多商业公司卖出了一些医用机器人，但总的装备数量还很少，市场仍然保持着缓慢增长的趋势。不象工业机器人领域，在70年代到80年代增长迅速，医用机器人还没有达到大的使用规模。然而，可以坚信，医用机器人的在医疗领域的优势将明显显现出来，这将使它在医疗上的使用持续增加。依照美国机器人学会的定义：一个机器人就是“一种自动的位置可控的具有可编程能力的多功能机械手，这种机械手有几个关节，它能够借助于可编程程序操作。成搬运物料、零件工具或特定装置，以执行各种任务。” 一说到机器人我们也许会联想到电影“星球大战”中的R2D2，在这篇论文中我们将要遵守上面的

4、定义。通过各个关节交替连接，机器人构成了一个紧密联系的链，这使机器人能够从一环到另一环完成各种相关的运动1。机械手位于整个环节的末端，通常作为末端执行器，机器人被一个电脑系统控制，电脑系统控制末端执行器到达它的运动空间内的相应位置点和方向。这篇调察文章将点明医疗机器人的现状通过几个临床的实例，在这篇文章中，我们着重讲述机器人在外科手术中所扮演的角色，外科机器人系统并不意味着会代替医生，而是为了加强医师的手术能力，也有其他方面的医用机器人，如康复机器人和缩微机器人，但在这里我们就不在赘述了。这篇文章并不是包罗万象的，而是对于这个领域作了一个概述，而将论述重点放在医疗机器人的历史的发展和现代工作上

5、。关于医用机器人手术过程的其他几篇文章也已经被完成了，如：Davies2讲述了医疗机器人的发展史并对研究者研究出的机器人按类型进行了分类，Taylor3分析了医疗机器人的分类方法并发表了自己的分类方法，Troccaz4讲述了机器人的发展史，描述了被动的、半自动的、全自动的机器人系统，Howe5介绍了在整形外科、神经外科和其他手术中图像处理的运用，特殊的观点也是存在的，例如Caddedu6的泌尿科机器人。本论文是按下面的次序进行的：第二段是简要的历史概述，接下来第三段是临床应用情况的表格，表格中的应用情况在后面进行了叙述，第四段是研究情况和技术挑战，第五段给出了结论。，2.0 历史概述医用机器人

6、是一个相对年轻的领域，医疗机器人的使用的第一个记录出现在1985年7，在这个手术中机器人仅是一个简单的定位装置，指引探针为大脑进行活体检查，一个 52 岁的男人被放在一张 CT 扫描仪上,目标在 CT 图像上被识别，并且机器人指引一个导向的管子，一根探针将要从管子中插入，不完美的是被使用的机器人是PUMA560工业机器人，考虑到机器人手术在接近人的时候的安全问题，这个项目没有继续下去。不久之后，欧洲、亚洲、美国的研究小组也开始对机器人在医疗方面的应用进行调查。在欧洲，伦敦Imperial学院的一个研究小组在Davies的指导下开始开发在前列腺方面的机器人8， 法国的Grenoble大学的医院的

7、Benabid, Lavallee和他们的同事也开始在神经外科手术，例如活体检视方面的研究，在亚洲，东京大学的Dohi发展了一个CT引导的探针插入操作者的原型10.在美国，泰勒和在IBM的同事也开始开发后来名为ROBODOC的系统11。最近，有几家商业公司和一些实验室在医疗机器人领域展开了积极的工作，近期的努力已经制造出了商业产品，例如Grenoble大学的医院研制的合成外科机器人系统NeuroMate。3.0 临床应用在医学上有几种方式区别机器人的使用，例如Taylor发明的区别方法就是通过机器人在医疗手术中所扮演的角色来区分，Taylor强调机器人作为与医师协调合作的工具实现了对外科手术的

8、干预，他把这个系统分为五个层次：1.器械辅助系统2.手术通讯系统3.导向辅助系统4.精确定位系统5.信息处理系统 尽管这种分类方法被用作为技术指导，在这篇论文中，我们选择根据临床应用情况来对机器人进行划分，按应用情况进行划分对使用者更有吸引力，表1是关于医疗机器人已经应用的7个领域的一张表，这张表并不意味着什么，但从这个领域中选择的有代表性的研究小组和投资机构给读者关于这个领域一个概括的论述，“研究对象”一栏主要涉及是以人为实验对象，还是以动物、尸体或其他物体为研究对象。表1：临床领域的应用有代表性的机器人开发应用领域国家机构/公司系统名称研究对象参考文献神经外科瑞士Univ. of Laus

9、anneMinerva人12、13神经外科美国Integrated Surgical /Grenoble Univ. HospitalNeuroMate人14神经外科日本Univ. of TokyoMRI compatible组织样本15整形外科美国Integrated SurgicalROBODOC人11整形外科美国Georgetown/HopkinsPAKY/RCM尸体16、17整形外科美国Univ. of Tokyo/HopkinsPAKY/RCM影象该课题整形外科美国MarconiKawasaki猪该课题整形外科英国Imperical CollegeAcrobot人该课题泌尿科美国Im

10、perical CollegeProbot人18泌尿科美国HopkinsPAKY/RCM人该课题Maxillofacial德国ChariteSurgiScope猪19Maxillofacial德国Karlscuhe/HeidelbergRX 90猪20放射科美国AccuracyCyberKnife人21opthamology美国HopkinsSteady-Hand在发展22心脏外科美国Intuitive Surgicalds Vinic人23心脏外科美国Computer MotionZeus人24心脏外科法国GrenoblePADyC在发展该课题3.1 神经外科在历史回顾中，这部分已经被讲述过

11、，神经外科是机器人最先应得到临床应用的，仍然是当今比较令人感兴趣的科研课题，神经外科立体手术机器人的应用需要空间位置正确率和精确度，以保证使不必要伤害减少到最低的情况下，达到手术的目的。这个阶段有三个有代表性的机器人系统：1. 瑞士Lausanne大学的Minerva系统2. 美国集成医疗系统的NeuroMate系统2. 日本的Dohi和同事开发的MRI并立机器人系统3.1.1 Minerva医用外科机器人Minerva系统是为实现精确的探针定位而研制的最早的机器人系统之一，它是为了立体的脑组织手术而进行设计的，它被限于CT扫描时工作，它被设计的目的是保证在连续的 CT 扫描时外科医生能够跟踪

12、工具的位置。3.1.2 NeuroMateThe NeuroMate是一个用于外科手术的六自由度机器人，它的开发工作是由法国Grenoble大学医院的Benabid, Lavallee,和他们的同事完成的，为了满足立体手术的需要和解决对安全问题的关注，原系统接下来又被二次开发。3.1.3 MRI compatible robot这个机器人很好的满足了定位误差小于3.3毫米的设计要求，该单元足够小巧，最大高度491毫米，适合于直径600毫米的MRI工作台。33.2 整形外科整形外科也较早的使用了机器人，在1992年它最先被用于臀部的修复手术。它的代表是ROBODOC系统。3.3 泌尿科 主要用于

13、泌尿系统的手术，主要代表是Imperial学院1998年设计的机器人。机器人还在眼科，面部整形，放射疗法，心脏外科等方面得到了十分广泛的应用，这些在前面的列表中都已做了具体的说明。（注：由于本文过长，所以我将与课题无紧密联系的几种机器人的介绍和所有的图片信息删去了，特此说明）4.0 技术挑战/研究领域虽然许多的不同临床的领域正在被探究如第 3 节所记录,那医疗机器人领域的研究还在它的幼年时期，而且我们刚好在这一个时代的开始。只有很少一些商业公司存在，而且医疗机器人每年的销售数字还比较少，部份的理由是医学的环境是非常复杂的和新技术的介绍很困难。 除此之外,一个医疗机器人工程的完成需要工程师和临床

14、医生之间有良好的合作关系，但这种关系是不容易建立的。医疗机器人研究的技术挑战和研究区域总体上说包括系统部件的开发和系统开发,对于系统部件,研究主要包括以下几个方面:1. 系统的构建2. 软件的设计3. 机构设计4. 图象接口设计5. 操作界面6. 安全问题（2/24/2002 机器人调查: Cleary/ Nguyen 第 21页）对于医疗机器人系统来说,测试平台的开发是推动该领域发展的关键,这些测试平台还可以用来加强工程师和医师之间的交流,然而至少在美国这些平台是很难得到开发资金的,像NIH和NSF等政府资金管理机构很难为这些项目提供资金就如同它们很少调整向基础研究提供资金一样,而更不用说应

15、用研究和开发了.制造业者也不是很感兴趣，因为医用机器人的投资的环境和投资回报还不确定，尽管一些系统已经被食品药物管理局核准，医用机器人的规范划问题还没有完全被探究，这些因素仍然阻碍这个领域的发展，在下面的文章中，我将对上面列出的六个系统组成部分进行简要的论述。4.1 系统的构建 随着医用机器人这个领域的不断发展，随着开发原形系统的费用和困难的降低，构建一个机器人系统是一个可行的步骤，正如Taylor在Steady-Hand机器人的设计中所强调的那样，系统构建应该强调模块化，尤其是机械设计，电控系统，软件系统的模块化，模块化的设计方法在Stoianovici37的泌尿科机器人实验室也被提出过，在

16、这里为了一些精密的手术，许多机械模块被开发。4.2 软件设计可能包括一个实时控制系统的用于医疗机器人的软件环境的发展是一个重要的挑战，许多开发医用机器人系统的研究者市场上销售的软件包作为他们开发的软件的基础，这种做法也许并不适合医疗机器人的开发。然而这些软件包低廉的价格和广泛的通用性使它们极有吸引力，并且它们的很多程序（例如看门狗定时器,支持系统, 和错误恢复程序）使系统更加稳定，但是可以坚信随着上面提到的系统的构建，一个适合于机械环境的健康的软件环境将会做出实质性的贡献，然而对于不同的外科手术，这些软件环境仍然要根据需要进行修改，研究者应该对于他们未来的工作有初步的认识。4.3 机构设计除了

17、好的软件设计，精巧的机构设计也会提高机器人在手术过程中的实用性，正如上文中的历史回顾描述的那样，第一个被记录的医疗机器人运用是对脑组织进行手术，使用的是工业机器人PUMA，当一些研究者提起工业机器人用于医疗手术时，作者和其他研究者都认为专用的机构设计将更有利于它的应用(见2/24/2002 机器人调查: Cleary/Nguyen 第22页)。尤其是，这些设计应是更安全的，因为它是为医疗环境专门设计并且满足不同医疗手术的需要，在本文中新颖的机构设计的代表包括Probot 18和Steady-Hand robot 22，然而我们也应该承认，专用机构的设计将不会达到通用机构那样的经济效益，另一个解

18、决方法是设计具有专用末端执行器通用机构。4.4 图象接口系统随着图象引导手段的逐渐流行，要求机器人在各种图象形式限制的范围内，例如：CT和MRI，能够正常工作，而这些系统大部分在医生的直接控制之下。在未来，系统将会将加强同这些图象形式的联系。本文也对一些系统进行了介绍，如以MRI为接口的Masamune系统 15和与CT融合的Minerva 系统13。4.5 操作界面一个在所有的医用机器人系统的发展中发生的问题就是操作界面的问题，作为医用机器人什么样的操作界面是合适的呢？机器人是应该被给一个程序命令还是一个声音然后才执行它的任务呢？用手柄或用键盘作为媒介哪个合适？或者医生直接操作机器人工具更合

19、适吗？力的反馈需要高精度的操作界面吗？这就是机器人组织未来需要调查的所有问题，根据机器人设计所要求完成的任务不同，答案也会有所差别，如果医生认为手术是在控制之中，至少最初看起来医疗机器人是可以被医生更多的接受的。4.6 安全问题 安全是机器人医疗系统中最受关注的问题，这也是推动机器人发展必须被提及的一个领域，安全问题已经被Davies47、Elder和Knight 48讨论了，根据Davies的看法，和工业机器人比较，医用机器人是完全不同的使用情况，因为医疗机器人必须与人协作才能完全发挥效用。因此，恰当的安全水平应该被定义，并被机器人组织详细的讨论，能够采取的安全措施备用传感器的使用，能够适应

20、即将到来的任务的专用机器人的设计，自动补偿技术的使用，以便于如果机器人操作失败，它仍可以被移动，并通过手工操作来完成。对于医疗机器人来说，另一个安全问题是需要对手术室和参加手术人和机械进行消毒和传染物控制。（2/24/2002 机器人调查: Cleary/Nguyen 第23页）Davies提出了一个等级制度为外科手术工具的使用者，从手持工具到全自动机器人，他把工具进行了排序。随着等级向自动机器人的靠近，手术被控制的也就越来越少，并且更依赖于机器人的机构和系统软件。Davies表示直到自动化的水平达到安全保证可以接受的水平，并就这个水平达成一致的协议，医疗器械制造商才可能逐渐开始开发医用机器人

21、系统。尽管机构的约束是保证安全的一种好的方式，但程序上的约束尽管天生就有不安全的因素，却更加灵活。为了有效限制可能的活动范围4, 46，四种模式可以被采用，自由模式,位置模式，轨道模式和区域模式。举个例子，区域模式尤其适合切除手术，如全膝替换手术，在这个手术中，手术工具被预先安排在一个定义好的区域中。这个模式在培养居民和邻里的关系时也有很大的价值。5.0 结论这篇论文反映了医用机器人的发展现状，几种原形机器人系统和商业机器人系统都在文章中得到了介绍，讨论了技术上的挑战和未来的发展方向，为医用机器人的使用提出了希望。我们仅仅处于医疗机器人应用的初级阶段，很多工作还等待我们去做，尤其是为了满足不同

22、医疗手术的需要更多的测试平台等待开发，以便于获得技术经验和它怎样融入临床实践的经验，费用、安全性和病人的反应也是需要考虑的，尽管已经有了一些在市场上取得成功的医疗机器人，如ROBODOC 和 da Vinci，但它们还没有完全被医学界所接受。也许直到完全兼容的系统被开发出来后，医疗机器人的优势才可以显现出来，在现在的医学领域里，机器人直接和想象模式联系起来或者和病人的解剖联系在一起，这些联系将点明机器人潜在的优点之所在，例如可以跟随呼吸器官的运动,，并且使医生成功的完成手术，而这在今天只是一种想象。6.0 致谢 作者对Sumiyo Onda为了这份手稿在搜集和整理时资料提供的帮助表示感谢，这次

23、工作得到了美国军方的赞助，批号DAMD17-96-2-6004和DAMD17-99-1-9022，本文的内容并不反映美国政府的立场和政策。附件2：外文原文State of the Art in Surgical Robotics:Clinical Applications and Technology ChallengesAbstractWhile it has been over 15 years since the first recorded use of a robot for a surgicalprocedure, the field of medical robotics is

24、still an emerging one that has not yet reached acritical mass. While robots have the potential to improve the precision and capabilities ofphysicians, the number of robots in clinical use is still very small. In this review article,we begin with a short historical review of medical robotics, followe

25、d by an overview ofclinical applications where robots have been applied. The clinical applications are thendiscussed, which include neurosurgery, orthopedics, urology, maxillofacial surgery,radiosurgery, opthamology, and cardiac surgery. We conclude with a listing oftechnology challenges and researc

26、h areas, including system architecture, software design,mechanical design, imaging compatible systems, user interface, and safety issues.Key WordsMedical robotics, review article, technology challenges, neurosurgery, orthopedics,urology, maxillofacial surgery, radiosurgery, opthamology, and cardiac

27、surgery1.0 IntroductionMedical robotics has tremendous potential for improving the precision and capabilities ofphysicians to perform surgical procedures. However, we are just at the beginning of theapplication of robotics to medicine, and many questions remain open regardingeffectiveness, safety, a

28、nd cost. While there are several commercial companies sellingmedical robots, the total installed number is extremely small, and the market will mostlikely continue to grow slowly. Unlike the area of factory robotics, which grew rapidlyduring the 1970s and 1980s, medical robotics has not yet reached

29、a critical mass.However, it is believed the benefits of medical robotics will become increasingly clearand this will lead to a continued rise in their use in medicine.According to the Robotic Institute of America, a robot is a reprogrammable,multifunctional manipulator designed to move materials, pa

30、rts, tools, or other specializeddevices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks.While the term “robot” may conjure up images of R2D2 from the movie “Star Wars”, inthis paper we will stay with the definition above. These robots consist of nearly rigidlinks that ar

31、e connected with joints that allow relative motion from one link to another1. Attached to the end of the links is the robot hand, usually referred to as the endeffector. The robot is controlled by a computer system that is used to move the endeffector to any desired point and orientation within its

32、workspace.This review article highlights the state of the art of medical robotics across severalclinical areas. In this review, we will focus on robots that play an active role during asurgical intervention. These systems are not meant to replace the physician, but rather toaugment the capabilities

33、of the physician. There are other categories of medical robotics,such as robotics for rehabilitation or miniature robots that might be placed inside thebody, but these will not be discussed here. This review is not intended to becomprehensive, but rather to give an overview of the field, with a focu

34、s on key historicaldevelopments and on current work.Several other medical robotics review articles with a focus on surgical procedures havealso been written. Davies 2 describes the history of surgical robotics and gives oneclassification for the types of robot systems studied by researchers. Taylor

35、3 discussesseveral taxonomies for surgical robotics and presents a different classification. Troccaz4 gives a historical review and describes passive, semi-active, and active roboticsystems. Howe 5 overviews applications in image-based procedures, orthopedicsurgery, and neurosurgery, among others. S

36、pecialized reviews also exist, such as thearticle by Caddedu on urology robotics 6.The paper is organized as follows. Section 2 gives a brief historical review, followed by atable of clinical applications in Section 3. Each of these clinical applications is thendescribed. Section 4 presents technolo

37、gy challenges and research areas. Conclusions aregiven in Section 5.2.0 Historical ReviewMedical robotics is a relatively young field, with the first recorded medical application ofa robot occurring in 1985 7. In this case, the robot was a simple positioning device toorient a needle for biopsy of th

38、e brain. A 52-year-old man was put on a CT scanner table,the target was identified on the CT images, and the robot was used to orient a guide tubethrough which a needle was inserted. Unfortunately, the robot used was a PUMA 560industrial robot, and safety issues concerning the operation of the robot

39、 in close proximity to people prevented this work from continuing 2.Shortly thereafter, research groups in Europe, Asia, and the United States beganinvestigating medical applications of robotics. In Europe, a group at Imperial College inLondon under the direction of Davies began developing a robot f

40、or prostate applications8. At Grenoble University Hospital in France, Benabid, Lavallee, and colleagues startedwork on neurosurgical applications such as biopsy 9. In Asia, Dohi at Tokyo Universitydeveloped a prototype of a CT-guided needle insertion manipulator 10. In the U.S.,Taylor and associates

41、 at IBM began developing the system later known as ROBODOC11.Currently, there are several commercial ventures and a handful of research laboratoriesactive in the field of medical robotics. These early research efforts have led to somecommercial products. For example, the work at Grenoble University

42、Hospital led to theNeuroMate robot of Integrated Surgical Systems as described in Section 3.1.2.3.0 Clinical ApplicationsThere are several ways to classify the use of robots in medicine. One scheme, asdeveloped by Taylor 3, is to classify robots by the role they play in medicalapplications. Taylor s

43、tresses the role of robots as tools that can work cooperatively withphysicians to carry out surgical interventions and identifies five classes of systems:1. Intern replacements2. Telesurgical systems3. Navigational aids4. Precise positioning systems5. Precise path systemsWhile this classification is

44、 technology oriented, we have chosen to divide the field byclinical application in this paper. Clinical applications are more interesting to the enduser, and a list of seven clinical areas where robotics have been applied is shown in Table1. This table is not meant to be inclusive, but representativ

45、e research groups andcommercial vendors in several areas have been selected to give the reader an overview ofthe field. The column labeled “Studies” refers to whether human trials, animal studies,cadaver studies, or other studies have been done.3.1 NeurosurgeryAs mentioned in the historical review,

46、neurosurgery was the first clinical application ofrobotics and continues to be a topic of current interest. Neurosurgical stereotacticapplications require spatial accuracy and precision targeting to reach the anatomy ofinterest while minimizing collateral damage. This section presents three neurosurgicalrobotic systems.1. Minerva from the University of Lausanne in Switzerland2. NeuroMate from Integrated Surgical Systems in the U.S.3. An MRI compatible robot developed by Dohi and