机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文）外文翻译.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： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 熊艳辉 学 号： 0101140130 外文出处: The Operating Room of 21st Century Michael L.J.Apuzzo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。 签名： 年 月 日注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文微型手术机器人在外科领域的应用外科透视1.简介神经外科学作为一门新兴的科学，逐渐被认为是外科领域中最富创新的一门学科，很有可能成为从根本上对人体器官系统全

2、新认识的重要途径。时代在进步，随之患者的要求也提高了，再加之技术的革新和我们在神经科学领域的认识过程中有了重大进展，使神经外科学的内容不断的被更新和丰富，竟然到了让多年来一直从事这方面研究的专家也无法家全了解的地步。由于人类生活的方方面面都在起着明显的变化，大量的新思想也如泉水一样层出不穷，对新技术的否认并坚决认为熟悉的东西才是最安全的，最简洁有效的。从另一个角度来说，心理学上解释为人类本能的一种表现，对新事物的接受总需要一些时间。额叶是大脑中一种调节抑制激素的腺体，这种激素的分泌促使人产生好奇的心理，在它们的作用下，位于脑皮层的运动原中枢能使人产生进一步探索的欲望；大脑中负责“计划”的区域则

3、对实验的危险性进行评价；最后由大脑中起“决定”作用的区域对整件事情下定论。因此说，由于额叶的作用，使我们每个人都经历了从创造，实验到最后下结论的整个思考过程。医疗器械的发展也有着相似的过程，但在技术上还有待完善。计算机技术、放射成像技术、内窥镜技术的引入，使手术室的整体设计和环境有了革命性的改观。然而这都处于起步阶段，革新不仅仅是引进先进的医疗设备，还需要有一批可以熟练操作控制这些医疗设备的专业人员，这个理念必须进行深一层的理解。通过神经外科学的大量知识理论基础与内窥镜反馈技术的综合应用，使外科医生及其工作人员能更快、更安全、更精确的实施手术，比起仅仅靠人的感性认识有过之而无不及。可以想象这种

4、系统既能预测和组织手术的整个过程，又能进行计算和实施合理的准备，最后根据总体情况给出一个参考方案供医生参考，而且在整个手术过程辅助医生进行各种操作。尽管机器人本来在手术过程就扮演辅助的角色，但从某种程度上来说加以半自主性的内窥技术势必效果回更好。如果说机器人系统不会永远是神经外科技术整套医疗设备的固定部分，我是认同的，但我相信它将在神经外科的发展道路上起到非常重要的作用。2.人类技术的发展过程在500年前，当Leonardo Da Vinci第一次在他自己的Chambord城堡里建造出独特的具有双螺旋结构式的楼梯的时候，没有人会意识到就是这种独特的双螺旋结构将对人类文明的发展起了重大影响。无论

5、从微观世界还是宏观世界，从DNA结构的发展过程到影响人类文明的重大发明，人类都是在以这种螺旋式的方式盘旋上升，并不断进步。然而，今天的手术是以精确度、重复一致性好，并且能很大程度上减少医院和病人的医疗费用为目的，因此在具体的手术操作过程中某些细节操作以人的手工操作是达不到要求的。正是这种理念使我们相信机器人辅助技术将是手术室里的一种很有效的使用工具。经过5亿年的物种演化和500万年社会变革，人类文明的产物之一，在Wesbter的字典里被解释为“一种能代替人类工作的机械装置”的这种工具机器人，它的发明是人类历史发展过程中的又一个里程碑；它与同人类文明历史中的其他重大发明如印刷术、内燃机、微处理器

6、、空间技术、神经刺激原理、以及人类基因图谱具有同等历史意义。随着技术的革新，新技术给人类带来的好处不用多说，但同时也增加了操作控制这些仪器的困难程度。也就是说，新技术在解决实际问题的时候反而是弊大于利。因此这里有一个关键性的问题让我们去思考：我们将继续这些具有里程碑意义的认识和发明创造，并以人类文明的独特方式盘旋上升？或者我们应该创造同样可以有力证明技术发展的意义的新一代使用工具，并且这种发明也可以作为衡量人类进步的重要标志？又有或者我们应该打破就常规的发展之路，另辟溪径，发起新的挑战？3.机器人挑战新技术早在19世纪80年代，机器人技术就已经运用与医疗领域，只是而早期实验的机器人都是根据当时

7、现有的工业机器人为模板而设计的。人与机器之间的关系是相辅相成的，彼此之间都是取长补短的，但究竟是人类和机器人哪个更加优越一些引起了疑问，这是必然的！人类的优越性在与灵活、适应性强、有自主的判断能力、以及手部和眼睛可以协调一致；而缺点在于容易疲劳、记忆存储有限、而且不具备同时处理大量数据信息的能力，手部容易颤抖，情绪易受影响等。相比之下，机器人的优越性包括能精确定位和复位装置、工作过程稳定，重复手术一致性好，还可以控制手术过程中的各种参数如力度、持久力、强度等；也存在着许多不足，包括随机判断能力与空间位置的感知能力差，适应性不好，对故障敏感。机器人技术在人类历史的发展过程中开辟了一个独特的历史篇

8、章。这种新技术被看作是一种反映人类技术发展的标志，也是衡量人类进步的重要标准，并将梦想转变成了现实。与以往不同，现在我们必须把考虑的中心从重器械的模式转移到重针对性上来，机器人技术革新不应该以纯粹的为了制造出性能好的机器而发展的态度为目的。所以发展的中心应放在建立更智能，独立自主的外科手术作业环境，并且在这个环境中，计算机辅助技术能自主的结合手术的具体情况分析出一套较专业的，对医生有参考价值的手术方案。4.机器人在外科领域的应用机器人技术在外科环境中提供了良好的辅助性，它们的应用提高了手术的精确度和灵活度，减轻了医生由于生理因素而产生的颤抖，并能扩展增加机械手减少工作量，从而减少手术中操作人员

9、，所以机器人技术在外科 领域中得到了越来越广泛的应用。这里能列举几个典型的外科机器人系统，但是它们还不够成熟，至于能否投入正常使用还没有明确的答案。当运用机器人技术进行辅助作业的时候，首先考虑到的问题是安全性、准确性、和效果以及与手术环境的统一问题，还应具备额外的益处（如减少手术操作时间，减少手术创伤，提高临床成功率），因此我们可以看出机器人技术辅助作业可以运用的领域是危险任务的执行和外科手术领域。5.机器人辅助作业典型的机器人辅助作业有：手术工具的定位及显微定位，轨迹的设计以及精确引导探针进行作业。医疗器械的多自由度设计使得手术工具在有限的作业空间可以任意的移动，在众多的外科领域里多应用于骨

10、骼损坏组织的切除、钻除、磨除、手术整形，以及软组织的切除和有害组织的破坏。5.1 定位机器人技术辅助定位克服医生在手术过程中的手部颤抖和疲劳，有人自身的生理因素引起的颤抖不对定位误差产生很大的影响，因为其产生的误差和手持工具抖动产生的误差一样大，波动范围是50微米。用于手术工具定位的机器人系统典型的有NEUROMATE，MINERVA和IMARL系统。像一些典型的手术操作，如显微外科手术以及贴电极进行脑立体定位都需要以微米数量级来进行显微定位。5.2 精确引导探针进行活体组织检查据报道：一种被命名为MINI-RCM的小型机器人系统在外科手术中精确引导探针进行手术操作。另一种叫PAKY的机器人探

11、针引导装置，普遍运用于肾脏的活体组织检查；并有其他几种机器人袭用用于辅助作业进行活体组织检查，如NEV、ROMATE等系统。5.3 手术工具的配备和移动如牵开器的辅助，光学摄像头的定位以及抽吸装置的控制等烦琐的工作都可以实现自动化。机器人系统配备的辅助工具常见的有超声波探针，摄像头，X-RAY发生器以及有6个自由度的新型CYBERKNIFE装置。而有些机器人系统被设计成一机配备多种辅助工具如PROBOT机器人系统，它同时配备一个超声波探针或其他工具如显微镜，还有一个影像采集摄像头。其中设计最合理经济的一个系统是计算机位置控制系统AESOP，它是用来辅助内窥镜定位的系统。AESOP系统利用语音识

12、别系统控制机器人进行操作，而且能由简单的口头语音命令来实现手术工具的精确定位和连续移动。据报道：机器人定位系统已经成功的实现了一个超声波转换器在颈动脉血管内的精确定位。5.4 位置移动和力度范围现代神经外科手术由于手术工具在手术过程中操作范围太小以致于那些技术熟练的医生也无法得心应手。还有些新的治疗方法如转基因技术，它的操作是将细胞内的染色体亚细胞组织进行移植，精度高达10微米。目前，此项技术只运用于动物医学，但要将此项技术转移到手术室里对人进行手术，只有在机器人的协助下才能达到如此高的精度。在这些手术过程中，利用计算机技术将微观的操作通过按比例缩减的方法使这种操作转换成人所能感知的程度，这样

13、不仅能提高手术的质量，而且很可能创造出新的微观外科手术途径。远程操纵系统RAMS按比例缩减医生手的移动范围，并能消除手部的颤抖，从而避免了误差。除此之外，还可以放大手术工具时的力度以便于医生可以检测并控制。计算机位置控制系统ZEUS是外科手术更加灵活，精确，是外科医生在手术过程中能在自然舒服的手术操作环境中进行工作，大大提高了手术的效率。通过在一边的操纵台上通过位置控制系统进行控制，并通过监控仪时刻追踪手术的进程。ZEUS系统对手术的实时控制排除了医生手部的颤抖，并能使医生在大范围内自然的移动手的位置来实现人体内部手术操作的微观运动。通过计算机辅助，外科医生手部的运动形式以运动学原理为基础，并

14、按比例缩减产生手术末端执行器的一系列运动参数：位移、速度与加速度，还有力度。5.5 力度控制在进行脑部手术的时候，力度控制显得十分重要。在连续的接触过程中保持适当的力度。机器人辅助技术下进行的自动缩进较人工操作进行的缩进更加优越，它的原理是靠末端执行器反馈回来的脑部组织对其施加的压力进行调节。当说到对纤细易碎的物体进行抓取时，力度控制更是应该恰倒好处。抓紧力要适当以免物体的滑落，而且要轻柔，力度适当以免损坏物体，简直就像是握着一个装满水的轻塑料杯子。6 机器人技术在外科手术中的应用机器人技术在外科手术领域得到了普遍的应用，其中典型的例子有：腹腔镜的配合使用、整形外科、面部颅骨和上颌骨的外科手术

15、，显微外科手术、放射外科手术、胸透视外科手术以及神经外科手术。6.1 腹腔镜LARS系统的主要功能是配合腹腔镜进行图像收集并诊断，提高了末端执行器的作业精度。其他系统也得到了相应的运用，是整个外科手术在监控的辅助下进行手术，效果十分好。据报道：机器人辅助技术与腹腔镜的以及结合，已经应用于胆囊切除术、冗余组织切除，胃部检查、结肠切除术。肠腔镜的使用原理就是一个微型机器人探头以半自主的方式进入到肠腔管道进行内部操作。这种技术不但能进行肠壁的检查，而且还能进行活体组织检查。据报道：在前列腺癌的治疗过程中，腹腔镜与机器人辅助技术相结合进行前列腺切开手术。以肠腔镜为基础工具进行前列腺疾病的治疗，是其前列

16、腺手术的一个技术革新。AESOP系统是一个通过语音识别系统进行位置控制的设备，它能有效的控制肠腔镜在手术过程中位置。通过人在操纵台上实施操作，加以机器人辅助技术使得手术作业环境更加宽敞，并为人类对外科手术的认识打开了新的天地。至今，已经有500名前列腺患者在AESOP系统的辅助下成功进行手术。6.2 整形外科机器人技术在整形外科手术中得到广泛使用，典型的有ROBOTRACCK系统、GRIGOS系统以及ROBODOC系统。ROBODOC系统通过计算机图像技术收集病变图像，对手术进行预测。从体内手术的角度，机械手运用高速转头，在股骨的手术中从外到里打个小孔，以便于植入股骨移植片。现有的机器人技术在

17、整形手术中应用，包括：膝关节整形手术、臀部整形手术、臀部整形手术的修复、臀部断裂组织的修复以及脊柱整形手术中螺旋状残片组织的植入。机器人技术在整形手术中得到了很好的发挥，有超过900个成功手术案例是ROBODOC的杰作，ROBOTRACK系统也有超过200的成功案例。6.3 微创外科手术机器人技术在改善微创外科手术的质量上有着巨大的潜力。机器人辅助设备通过按比例缩减人工操作时的力和力矩进行微创外科手术，是得人操作机器人手臂进行手术且简单自如。这种技术为新的外科手术技术开辟了新的发展道路，并对现有的外科手术技术起了推波助澜的作用。RAMS系统可以按比例缩减外科医生手部运动的参数并能消除手部本身的

18、生理颤抖，结果是单纯的人工操作进行手术远不如由操纵系统进行手术工具的精确定位所达到的效果。而另一种应用于微创外科手术的系统是基于利用运动感知反馈原理。配备重定位系统的6自由度机械手在手术中的精度可达到高于2微米，这个系统通过末端执行器的反馈信息而进行力和力矩的调节，而外科医生通过综合操纵台对手术的各个操作进行监控。据报道：在各种微创外科手术应用领域，其他模式的机器人系统也得到了应用，而且工作过程平稳，收效甚佳。6.4 放射外科手术CYBERKNIFE机器人系统可以通过线性加速装置进行6自由度的精确定位。运用图像技术辅助放射外科手术，把人平放在治疗台上，由旋转的放射仪对其进行扫描检查治疗，这一切

19、都是人通过系统辅助实现自动化。据报道：机器人位置控制系统通过对由呼吸运动而使脑部肿瘤位置的随机变化进行分析，然后给予补偿，这样提高了CYBERKNIFE在手术过程中精确度和相对安全程度。7. 结论随着经济全球化的进程，新兴技术大量涌现出来，但总的来看全球范围内各种技术领域都存在着优势和弊端。这些问题不仅仅只存在于健康医疗领域，普遍存在于各行各业，而医疗领域人们已经受益非浅，但也提出了精确手术的新要求。尽管医疗服务的根本目的就是在于使病人更加健康，但由于经济因素的制约，使得医疗服务的管理问题上无法正常运作，不但没有把基本的要求做好，甚至违背了医疗服务的预期目的。所以这里我们要记住一点就是：病人所

20、要的是得到最好的医疗方法，而不是仅仅是可能是最好的方法这种不确定的说法。现在的外科医生急切希望了解各种有效外科新技术的详细内容，因其内容能开阔他们的视野，还为他们的外科手术技巧和知识领域是个有效的补充。我们还必须付出更多的努力来解决有关软件的兼容，图像的配准，软件策划系统以及各种有效辅助系统的应用问题。理想情况下就是把所有的技术汇总到一起组成一个综合系统，通过这个系统把病人体内的具体情况反馈，并把信息发送到这些有效的工具（如显微镜，立体定向机器人系统，辅助设备，放射检测仪等），而通过控制使这些设备对病人进行手术操作。即使这种技术能成功的应用与外科领域，机器人辅助系统也将不会完全取代和制约外科医

21、生；它们使得外科手术有了重大的改观，机器人系统使得各种有效的辅助设备得到综合的应用，使得在手术环境中各种仪器和谐统一的配合对病人实施手术操作，这一切对于病人的手术后效果都是大大有利的。 附件2：外文原文：Intraoperative Robotics for thePractice of Surgery:A Surgeons PerspectiveAlim Louis Benabid and Wieslaw NowinskiINTRODUCTIONSince its inception, neurosurgery has continually distinguished itself as

22、the most innovative field among surgical specialties, possibly secondary to the inherently innovative nature of the organ system it serves. Driven by changes in patient needs, technological advances, and significant progress in our understanding of the neurosciences, neurosurgery has maintained an e

23、ver-changing face to the extent that, at times, even those within the field find it difficult to recognize. As with rapid change in any aspect of life, a wide array of attitudes are elicited. Denial of progress, and tenacity toward that which is familiar, is certainly the safest, easiest response an

24、d, rhinencephalically speaking, may be the most physiological attitude manifested. Arising from the temporal lobe, disbelief and disorientation are also frequently encountered responses to change. These attitudes, however, are often overcome through the acquisition of knowledge and experience. The f

25、rontal lobes are responsible for balancing inhibition with disinhibition. They serve as the source of curiosity housing the motor cortex necessary to engage in exploratory behavior, the planning areas to evaluate risk-bearing trials, and the sanctuary for complex decision making. Because of the fron

26、tal lobes, we move forward down a path toward invention, trial, and ultimately, final design.The history of surgical tools follows a similar path and is far from being perfected. The introduction of novel tools into the operating room through the form of computer informatics, online radiology review

27、, and intraoperative imaging has revolutionized both the design and the ambience of the operating room. This, however, is only the beginning. Progress is more than the simple acquisition of vast amounts of highly sophisticated equipment and the teams of specialists required to operate it. The entire

28、 concept has to be rethought to truly achieve a higher level of structure. The overwhelming amount of information now available to the neurosurgeon must be seamlessly integrated and coupled with intraoperative machinery capable of exchanging information in a fashion that assists neurosurgeons and th

29、eir staff in delivering their skills faster, safer, and more accurately than that attainable by human cognition alone. It is conceivable that such a system might foresee and organize the series of events, perform all necessary calculations, carry out the necessary preparations and decision making, a

30、nd ultimately assist the surgeon in executing the task. Although manual assistance of surgical gestures was originally the sole task of robots, in this light a much greater benefit may be attainable for intraoperative robotics. If the robot fails to become a permanent tool in the neurosurgical armam

31、entarium, so be it; we believe it will play an important role in the continued evolution of modern neurosurgery. PROGRESS OF MANKINDWhen Leonardo da Vinci constructed his revolutionary double-helix staircase in the Chambord Castle half a millenium ago, no one recognized the importance the double-hel

32、ix configuration would someday have in human life. In both microscopic and macroscopic scales, from DNA structure to the symbolism in human achievement, our progress along the spiral curve has been enormous.Todays routine, however, must be done accurately, reproducibly, and cost effectively. Numerou

33、s aspects of the neurosurgeons routine do not require exclusively human effort. It is this realization that underlies our belief that robotic assistance has a valid role in the operating room. After 500 million years of biological evolution and 5 million years of social evolution, mankind has create

34、d what Websters Dictionary defines as a mechanical device designed to do the work of human beings. The creation of the robot is yet another milestone along the spiral curve of human progress. It is similar to other revolutionary inventions such as the printing press, internal combustion engine, micr

35、oprocessor, space travel, neurostimulation, and human genome sequencing. With technological progression comes both the intrinsic benefit provided by the novel tools themselves and the increased complexity associated with them. In some cases, the complexity associated with novel tools may exceed the

36、benefit of alleviating the problems for which they were designed. Therefore, one of key questions which arises is: Are we going to keep on building these landmark-type de-vices, marking our progress on the human development helix, or shall we create new generation tools that will reflect dynamically

37、 the status of human development, be a measure of progress of humanity, and separate the routine from the challenge?ROBOT VERSUS NEW TOOLRobotic systems were introduced to surgery in the early 1980s. Initial experimentation with surgical robotics consisted largely of adaptations on existing robot te

38、chnology from the industrial sector. Humans and machines are complementary, rather than competitive, with one another. Situations will exist in which humans are superior to machines and machines are superior to humans. Human superiority stems from qualities such as flexibility, adaptability, judgmen

39、t, and hand-eye coordination. Human shortcomings include fatigability, memory limitations, inability to simultaneously process large amounts of data, tremor, and tissue susceptible to injury. Robot superiority includes the ability to accurately position and reposition instruments, absence of tremor,

40、 uniform and controlled application of force, stamina, strength, and the ability to process vast quantities of data simultaneously. They are limited by their lack of judgment, suboptimal spatial coordination, poor adaptability, and susceptibility to malfunction.The robot marks a single point on the

41、spiral curve of human progress. Development of this new tool should be viewed as a reflection of human development, a measure of human progress, and the ability to transform challenge into routine. We must shift our thinking from that of a device-oriented paradigm to a purpose-oriented paradigm. Adv

42、ances in robot technology should not overlie an attitude of attempting to simply build the best machine possible. The goal should be to create a highly intelligent, autonomous surgical environment capable of seamlessly integrating all inputs in order to provide specialized, dedicated outputs.ROBOTS

43、IN SURGERYRobots offer a wide array of benefits in the surgical arena. They increase the accuracy and dexterity of the surgeon, reduce the tremor of the human hand, and can amplify or reduce the movements and/or forces applied by the surgeon. The number and range of robotic applications in surgery a

44、re growing rapidly, and several classifications of robotic surgical systems have been proposed.222,77 However, few validated solutions are cur rently available. When validating a robotic-assisted task, the key requirements to be considered are safety, ac-curacy, sterility, integration in the operati

45、ng room, and measurable benefits (such as reduced operative time, reduced surgical trauma, and improved clinical outcomes). We review here the currently available robot-assisted applications from two aspects: task performed and surgical area.Robot-Assisted TasksTypical surgical tasks being robotized

46、 include instrument positioning and micropositioning, trajectory planning and precise needle insertion, free motion allowing the instrument to be arbitrarily positioned and oriented, motion in a constrained region, motion and force scaling, bone cutting, drilling, milling, and shaping, and soft tiss

47、ue cutting and destructing, among many other tasks.PositioningRobot-assisted positioning overcomes the human hands tremor and fatigue. Physiological tremor is not an in-significant source of positioning error, as it can be as large as 50 m peak to peak at the hand-held instrument tip. Robots develop

48、ed for instrument positioning 。include NEUROMATE,8 (Figure 9.1) MINERVA,25,.30 and IMARL.78 Certain surgical maneuvers, such as microsurgery or stereotactic electrode placement, demand micropositioning with micrometer accuracy.32Precise Needle Insertion and BiopsyA compact robotic system called MINI-RCM for precise needle insertion under surgical guidance is reported.71 Another needle insertion robotic device, known as PAKY, is currently avai