脊柱微创手术机器人研究综述.doc

  脊柱微创手术机器人研究综述# 唐海峰，王志鹏，何斌** （同济大学电子与信息工程学院，上海 201804） 5 摘要：本文详细综述了脊柱微创手术机器人研究的历史与现状，总结了国内外主要研究机构 的研究成果，针对脊柱模型建立和机器人导航与控制问题进行了归纳，并分析了脊柱微创手 术机器人研究存在的问题并对以后的研究方向作了展望。 关键词：机器人；脊柱微创手术；控制；综述 中图分类号：TP242 10 A Study on Minimally Invasive Spinal Surgery Robot Tang Haifeng, Wang Zhipeng, He Bin (School of Electronics and Information, Tongji University, Shanghai 201804) Abstract: This paper reviews the research history and situation on minimally invasive spinal 15 20 25 30 35 surgery robot, summarizes the research status at home and abroad, and presents the development in spine model and surgery robot control and navigation. At last, difficulties in the spinal surgey robot research were analyzed and the future research directions were put forward. Key words: Robot; Minimally Invasive Surgery; Control; Survey 0 引言 智能计算机辅助微创手术是人类工效学发展新概念术式的革新趋势，融合了微创外科 学、腔镜手术学、机械工程学、生物工程学、材料学、信息数控、智能传感等多个学科，逐 渐诞生出一种全新的学科交叉集成化系统和疾病诊疗模式。手术机器人作为新理念的智能载 体，试图基于术前 CT、MRI 等影像媒介的路径规划及术中放射透视图像的实时导航，将虚 拟现实术野三维动态地呈现在术者的感官世界中。辅助手术程序中的精细化操作，独立消除 人脑失误或操作不当带来的医源性损伤[1]。因此具有拟人化、记忆性及半智能优势的手术机 器人成为外科医师和机器人工程师的共同研发目标，相关的基础研究也同时进行着。 具有高效性和高准确度的工业机器人最早应用于外科手术，辅助其完成准确度要求高 （如神经外科）或需重复动作的手术（如前列腺电切术）。Kwoh 等人证实机器人进行脑活 组织检查的准确度较高，速度较快[2]。Davies 等表明机器人进行前列腺切除术的时间约为 5min，而非机器人手术一般要 1 个小时[3]。另外，微创化手术的理念较传统开放型手术的损 伤小，如腔镜手术中通常会使用内窥镜来间接检查和观察手术目标区域，其皮肤穿刺部位仅 3-4 个 10mm 左右的创口，较开放手术 10cm 左右的切口而言，患者得到了更多好处，例如 瘢痕更少，恢复时间更短。 1 脊柱微创手术机器人研究 早期，刚性壁机器人被采用，H.Jin 等人设计的椎弓根螺钉手术机器人（Pedicle Screws Surgical Robot, PSSR）由 5 自由度的机械臂和一个螺钉植入工具构成（如图 1 所示）[4]，其 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20110072110016） 作者简介：唐海峰（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向：仿生机器人控制 通信联系人：何斌（1975-），男，教授，主要研究方向：机器人控制，无线传感网. hebin@tongji.edu.cn -1-   机械臂由机架、支柱、大臂、小臂及手腕几个部分组成。韩国 Jongwon Lee，Keehoon Kim 等人设计的 CoRASS 手术机器人同样具有 5 个自由度[5-7]：X、Y、Z 轴方向的 3 个平移自由 40 度和末端工具的 2 个旋转自由度，图 2 是其基座的模型和实物图。 图 1 PSSR 的 3D 模型及原理图 Fig. 1 3D model and schematic digram of PSSR  45  (a)  (b) 图 2 CoRA 的基座结构：(a)模型示意图，(b)实物图 Fig. 2 Base design of CoRA: (a) model, (b) photo 基于刚性臂的机器人基于刚性连接机制，替代医生手术，提高了操作稳定性，但