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【TIAT|項目推介】中科好項目之“游走”在手術中的機器人

2019-10-11
前段時間給大家介紹過各種機器人,今天再給大家帶來“游走”在手術臺上的機器人。
 
 
在介紹之前,先跟大家說說機器人的研發中心——認知技術研究中心,該中心致力于機器人領域內的前瞻性和實用性技術的研究,并開展多種認知技術的集成和應用研究,讓更多的機器人技術能夠走進人類的生活。
接下來,就跟小編一起去看一看這個中心的研發產品吧!
一、 鼻內鏡微創手術輔助機器人
復雜的鼻內鏡輔助手術采用二人三手方式:主刀醫生雙手持兩個手術器械進行手術,醫生助手單手把持內窺鏡提供影像信息,這樣存在的問題包括:內窺鏡難以最佳的姿態給醫生提供術野、內窺鏡與手術器械難以協調配合、長時間扶鏡引起的手顫影響圖像穩定性、醫生手術操作空間更為狹小,從而限制了很多復雜手術的開展。
認知中心研發的鼻內鏡微創手術輔助機器人分為被動式和隨動式二款鼻內鏡輔助機器人,并均已進行了離體實驗。
被動式鼻內鏡持鏡機器人是指:在手術中,機器人把持鼻內鏡,醫生根據手術需求人工調整機器人,保證手術最佳的視野和照明,為減少術者對機器人姿態的頻繁調整,提高調整精度,采用粗調機構和精調機構分級調整策略。同時,為保證持鏡過程和調整過程的安全性,采用反向制動鎖緊技術,確保機器人的安全性。安裝方式有落地、床側二種。
 

落地式被動持鏡機器人   床側式被動持鏡機器人
 
隨動式鼻內鏡持鏡機器人是指:在手術中,機器人把持鼻內鏡,以配合策略實時跟蹤醫生的手術器械,使鼻內鏡為醫生手術提供最佳的視野和照明,并有效地減少術者對機器人姿態的頻繁調整。同時,根據患者手術區域的解剖結構,實時加載考慮鼻腔軟組織變形的鼻內鏡運動的動態約束模型,對患者肌體組織實現有效保護。
 

隨動式輔助機器人
 
二、脊柱手術輔助機器人
脊柱手術輔助機器人(RSSS)用于輔助醫生治療脊柱外傷、退行性病變、骨腫瘤等疾病,由中國科學院深圳先進技術研究院和北京積水潭醫院田偉院長團隊聯合研發。針對脊柱手術危險性高、精度和穩定性要求高等特點,圍繞脊柱穩定性重建和椎板減壓兩大手術關鍵技術,重點研究機器人輔助手術精準操作、精細感知和安全控制?,F在已經開發了脊柱手術輔助機器人三代系統樣機、完成了大量標本實驗、動物實驗及尸體骨實驗。
 

 
根據脊柱手術機器人,該中心完成了脊柱手術輔助機器人微動感知器及實時力感知研究,通過機器人末端安裝的六維力傳感器,對機器人輔助手術過程中力信號進行實時采集和處理,以此來模擬醫生的手感,對手術狀態進行實時感知,實現對手術過程的實時監控和預警?;跀嗔蚜W理論研究手術器械與肌體組織之間的交互作用關系,構建精細的骨組織生物力學模型。在傳統的骨皮質-骨松質骨組織分區框架下,實現骨皮質、骨松質以及兩者之間的過渡區域的精細分類。提取關鍵控制點,實現基于力感知的安全控制方法。
 

 
針對機器人輔助手術的兩個階段,從醫生-機器人協同控制和機器人-患者肌體組織交互作用兩方面出發,構建脊柱手術機器人安全控制系統。
安全控制系統又分為定位控制和操作控制。
定位控制:導航引導下,采用醫生-機器人協同控制方式,控制機器人從初始位置定位到手術切口。根據術前規劃信息,在術中實時構建混合虛擬夾具,引導醫生對機器人精準定位的同時,限制機器人的運動方向和速度,確保不會對患者造成意外傷害。
操作控制:在準確定位后,根據術前規劃信息,控制機器人輔助醫生進行椎弓根鉆釘道和椎板減壓磨削等手術操作。機器人實時獲取操作力信號并實時處理,通過識別手術狀態和安全控制點實現手術的安全預警。醫生進行實時監控,實現醫生主導的安全控制。
 

 
三、 經皮穿刺手術輔助機器人
經皮穿刺手術是經過人體皮膚直接穿刺到腫瘤內部,進行腫瘤診斷或治療的一種手術,廣泛用于腫瘤活檢和消融等微創手術,是腫瘤診療的重要手段。臨床上均采用影像引導下的人工穿刺方法,包括超聲、CT和MRI引導,然而人工穿刺完全依賴于醫生的經驗,受主觀因素影響大,精準度低、均一性差。應用機器人代替人手執行穿刺手術操作,具有精準度高、穩定性好、均一性強的優勢,可極大地提高臨床工作效率,減少醫務人員的輻射暴露。截至目前,已開發核磁兼容穿刺手術機器人一套,并完成樣本實驗。
 

 
該中心同時也在進行呼吸與交互影響下剛性針穿刺手術機器人研究。
臨床上采用剛性針根據術前規劃對腫瘤病灶進行穿刺,患者的呼吸會導致病灶漂移,斜尖穿刺針與軟組織的交互作用會導致穿刺針的彎曲,從而導致穿刺誤差。為了降低呼吸的影響,臨床上一般在患者屏氣條件下進行穿刺,研究機器人穿刺對患者屏氣誤差的建模與補償方法,研究基于術前可獲得參數的穿刺針彎曲建模與穿刺補償方法;對于因身體原因無法配合醫生進行屏氣的患者,在其自然呼吸條件下進行穿刺,研究基于4D-CT的呼吸建模方法,研究呼吸條件下實時配準方法,研究動態環境下機器人控制延時補償和狀態監測方法。
 

患者屏氣建模      穿刺針彎曲建模      穿刺手術機器人
 
動態環境下柔性針穿刺手術機器人研究。
現有臨床上一般都是采用剛性穿刺針,受限于針體剛性,只能進行直線穿刺,對于很多復雜的手術無法實施或易造成其他組織創傷,引起并發癥。柔性針穿刺可以巧妙的利用針體的彎曲來避開神經、血管等重要器官和骨骼等解剖學障礙物,靈活、精確地達到傳統剛性針所無法達到的靶點位置,極大的擴大了可供安全穿刺的人體組織區域,并且可以最小化手術創傷。然而柔性針在穿刺過程中的彎曲行為涉及到針與軟組織之間復雜的交互,臨床醫生人工操作很難通過手感及經驗實現柔性針的精準操控。因此亟需柔性穿刺機器人輔助系統來提高穿刺手術質量、減少創傷。研究超聲-CT融合引導方法、研究動態環境下柔性針穿刺實時規劃方法,研究柔性針運動建模與控制方法,研究呼吸下柔性針穿刺隨動控制方法。
 
柔性針穿刺具有靈活避障的優點   柔性針穿刺實時運動規劃
 
柔性針運動建模與控制
 
由于篇幅有限,還有更多的項目就不一一介紹了:
1. 關節置換手術輔助機器人系統研究
2. 脊柱微創手術導引機器人MISSROT
3. 脊柱手術動態訓練系統
4. 自主移動機器人
5. 面向任務的服務機器人系統基礎理論與關鍵技術
下一代自主機器人的關鍵技術—基于經驗的記憶學習
 
介紹了這么多的項目,是時候展現我們的帶頭人了。
 
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張建偉,教授,中心主任,德國漢堡科學院院士,先后于1986年、1989年獲得清華大學計算機系學士與碩士學位,于1994年獲得德國卡爾斯魯厄大學博士學位?,F任漢堡大學教授,多模式技術研究室主任。多年從事及領導機電一體化、認知技術、信號處理、人機交互及服務機器人等方面的研究與開發。主持多項基金委、科技部國際合作項目,德國科學基金重點及歐盟項目。出版專著3部,發表論文二百余篇,曾獲得IEEE ROMAN獎。
 


胡穎,研究員,博導,中心執行主任,哈爾濱工業大學博士,具有多年高校、企業工作經驗。主要研究方向為醫用機器人感知技術及智能控制,其中醫療機器人精細感知和安全控制等成果廣泛獲同行認可。主持國家自然科學基金聯合基金、面上項目共4項,國家自然科學基金重大國際合作子項目1項,863計劃子課題1項,中科院知識創新工程重要方向項目2項以及省和地方項目近40余項,累計金額超過2000萬元,發表論文100余篇(SCI論文40余篇),授權專利30余項。編著《開源機器人操作系統—ROS》,參編《Biologically Inspired Robotics》。獲2015年國家科技進步二等獎,2014年北京市科技進步一等獎,2016年度深圳市機器人行業技術創新獎。
 
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