外科手术机器人技术发展现状及关键技术分析

外科诊疗是医疗机器人研究和应用最广泛也是比较成熟的领域，目前研究主要集中在脑神经外科、整形外科、介入式无损检测、角膜移植等领域．为促进我国医疗机器人技术的研究和发展，在充分论述医疗机器人研究意义的基础上，对国内外典型外科手术机器人的研究及应用状况作了详细介绍，并对研究医疗机器人所涉及的手术机器人机构、医学三维图像建模、虚拟手术仿真、遥操作网络传输等关键技术进行了详尽的分析，同时指出了今后的发展方向．     

基于Internet的机器人遥外科手术的问题及对策

针对基于Internet的机器人遥外科手术面临的时延问题，提出了网络及其通讯协议的发展，如高可靠性通信链路和实时传输协议，是解决时延问题的根本；历史上形成的网络遥操作系统的控制策略，如基于事件的方法和无源性及耗散系统理论，为解决时延问题提供了可借鉴的方法。     

柔性铰链及其在精密并联机器人中的应用

在总结了柔性铰链及柔性铰链并联结构的概念、类型、特点的基础上,分析了该领域国内外的最新动态及其关键技术,提出了一种新颖的大行程柔性铰链结构,并以此为被动关节,构建了大行程柔性铰链并联机器人,并给出了测试结果.该系统可在立方厘米级的工作空间内达到亚微米级的运动精度.     

一种用于锁定髓内钉的新型计算机辅助整形外科系统

介绍了一套用于整形外科的全自动机器人系统．该系统中的并联机器人取代了传统的复位工具,并提出了一种简单、准确的基于几何模型的对准方法,得到一条能够穿过髓内钉远端孔的三维路径,引导串联机器人锁定髓内钉．实验结果表明,该系统有足够的定位精度和稳定性,并可以大大减少手术所需时间．     

基于双背景色阈值面积消去算法的B超图像轮廓提取

本文提出一种基于双背景色阈值面积消去算法的半自动单像素轮廓提取方法.通过给定的阈值,此算法可自动在图像中寻找面积小于阈值的斑点和噪声点(即空穴)并将其消除,有效解决了B超图像处理中由于斑点及噪声引起的完整单像素轮廓提取困难的问题.并基于此方法,以心房图像为例讨论了针对二维B超图像的轮廓提取方案.     

5 DOF穿戴式上肢康复机器人控制方法研究

提出了一种面向偏瘫患者,可实现单关节和多关节运动的5自由度穿戴式上肢康复机器人的控制新方法.根据偏瘫患者上肢单侧受损的特点,该机器人利用偏瘫患者的健肢运动的表面肌电信号(sEMG)驱动康复机械臂辅助患者患肢实现康复训练.利用肌电绝对值积分(IAV)和自回归参数模型法(AR model)对选定的上肢四块肌肉运动产生的sEMG信号进行分析,所提取的特征分别作为基于Levenberg-Marquardt算法的反向传播神经网络的输入,6个上肢运动作为输出建立表面肌电信号与上肢康复动作之间的关系.试验结果表明该方法利用sEMG准确地完成了对上肢康复动作的识别.这一方法有利于提高患者运动积极性,保持正确运动的感觉,并为研究患者受损上肢表面肌电信号与肌肉运动的关系打下了基础.     

安装于电动轮椅上轻型作业臂的研制及评价

以残障人士和老年人最常见的10项日常活动作为辅助目标,研制了一款安装于电动轮椅上的6自由度轻型作业臂。文中对作业臂的本体、末端手爪和控制器进行了详细设计。对该作业臂安装于轮椅上可操作度的分析表明:作业臂在常见作业点上具有良好的操作性能;典型喝水服务试验则表明该作业臂能辅助残障人士和老年人的日常生活,为带作业臂智能轮椅系统进入残疾人和老年人的生活奠定了基础。     

主被动混合式微创手术机械臂机构设计及灵巧度优化

研制出一款可开展微创手术的双机械臂机器人系统,该系统配合手术微器械可以实现精确的腹腔内手术操作.通过分析微创手术的手术环境及手术操作特点,提出了采用机器人开展微创手术对机器人自身机构设计的基本要求,并在此基础上重点对机械臂机构进行设计和优化.该机械臂可以按照微创手术的实际需求,实现机器人的术前摆位、术中器械操作及器械的快速拆装更换,并且可以从机构上保证术中器械在患者腹壁切口处位置不变,避免术中因手术器械运动而对腹壁切口造成非手术性损伤.此外,借助于机器人雅可比矩阵的奇异值,构造了基于条件数和可操作度的综合灵巧度评价指标函数,并采用序列二次规划算法对机械臂杆件参数进行优化.优化结果表明,机械臂具有良好的各向同性及可操作度,很好地满足了微创手术对机械臂机构灵活性的要求.     

图像处理在机器人辅助外科手术中的应用状况

在综述了目前外科和一些介入式手术的图像导航技术和成果基础上,对图像导航系统中的关键技术进行了分析。提出了将来图像导航系统的可能技术组成,并展望了这些技术在诊断和治疗中将达到微创化、智能化和人性化所起到的作用。