眼科手术机器人的发展及相关技术

*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,眼科手术机器人的发展及相关技术,目录,1,2,3,4,眼科机器人的发展,引言,相关技术,结论,引言,手术分辨率及操作精细度要求高；,器械通过巩膜刺入点进行操作的手术空间小；,手术操作环境的可视性差；,由于医生手工操作过程中生理上的颤抖，手术时间长，手术成功率低,眼科手术机器人的发展,最早的例子就是20世纪80年代末期由法国研究者发明的显微操作器（micro-manipulator)，一种用来在显微镜下对细胞进行细微手术和注射的装置。该装置是最早的尝试应用远程运动中心机构（remote center of motion，RCM）之一。,立体定向显微遥操作的眼部手术系统（Stereotaxical Micro-telemanipulator for Ocular Surgery，S.M.O.S）可以沿RCM有4自由度（degree of freedom，DOF）的运动，包括平移和转动。,日本的合作者在基于S.M.O.S平台的基础上创造了一种机器人结构，它被设计用来辅助玻璃体视网膜手术中多个步骤。这种辅助机器人提高了5到10倍的精度。,约翰霍普金斯大学的研究人员开发了一种应用于视网膜显微手术的稳定手操作器（steady-hand manipulator，SHM）。,对于更为灵巧的操作，来自哥伦比亚大学的研究小组最近提出了一种理论上的复合臂混合机器人系统和一个16自由度的利用位于眼镜内部的手术工具的系统。,目前的困境,在眼科手术中这个主要是用来缝合修复角膜的撕裂、完成连续的白内障手术中晶状体前囊的撕离和玻璃体的切除,机器人的手臂不能够完全复制人手的动作，这就使得白内障手术中撕囊术不能进行的很完美。另外，RCM与仪器的尖端之间的5cm距离，限制了仪器的动作，并且会给外眼球表面带来过度的压力。内窥镜缺乏后部反光照相法的能力并且其位置阻碍了玻璃体凝胶的去除。,六足机器人系统,显微手,眼内机器人介入手术系统（IRISS）,未来的发展方向：自动化和集成,在过去几年里，眼科成像方式，如光学相干断层扫描（OCT）和超生生物显微镜（UBM）在术中和术前都增强了医生定位病理的能力。,已经有研究人员提出来在玻璃体视网膜上机器人系统上集成OCT，另外加上激光技术可以促进治疗白内障手术的自动化。,在眼科机器人成为临床上现实之前还有几个障碍。高成本，陡峭的学习曲线，病人的信任。,眼科机器人的机构设计,眼科机器人的机构设计主要包括机器人本体及末端操作器两个方面，机器人本体包括机械手臂和手腕，实现位置调整和姿态调整，末端操作器完成特定的手术任务和精密定位。,机器人本体采用何种构型，主要取决于手术任务的具体需求。主要有多关节型，直角坐标型与关节型相结合的机器人构型，并联六连杆机构等,远程运动中心点（RCM）,采用机械约束下的运动机构来实现,被动式 RCM,主动式 RCM,末端操作器,末端操作器包括末端执行器与末端手术器械操作器,末端手术器械操作器,末端手术器械操作器通过操纵专用的眼内手术器械(比如眼内镊、持针器、吸管、微剪刀等)，实现模拟医生双手并使精度与灵巧度大幅提高的精细手术操作,微力感知与控制,在眼内显微外科手术中，大部分手术作用力都低于7.5 mN，而医生所能感知出的只占其中的1/5,机器人微力控制上可以采用阻抗控制、混合控制、自适应力控制和显式力控制等各种方法,由于适用环境、约束条件和模型建立等方面的差异，微力环境下眼科机器人刚性末端操作器与柔性眼球软组织之间接触力的控制问题仍待解决,眼球组织的生物力学建模技术,利用计算机进行眼科手术作业的力学建模，建立眼组织(包括角膜、巩膜、视网膜及其显微血管等)的动态生物力学特性的等效数字化模型。通过手术过程的力学建模和计算机仿真，可以得到眼组织内部的力学信息，保证手术过程的安全可靠,约束空间规划技术,刺入点约束、眼内手术环境的约束、机器人机构的约束及由特定手术任务的要求所引入的约束,虚拟固定器、闭环控制器,精密运动控制技术,机器人关节驱动中电动机死区、机械摩擦力、间隙与机械臂运动震颤等非线性因素,智能控制中如模糊控制、神经网络等方法同样是伺服控制中应用较广泛的方法，能够解决模型不确定、非线性控制及其他较复杂的问题,变结构控制方法是一种特殊的非线性反馈控制系统。预测变结构控制就是为了从根本上消除滑模变结构控制方法中的抖振而提出的一种不含滑动面的变结构控制方法,结论,眼科手术辅助机器人的引入给医生带来了很多便利条件：提高了操作精度，增大了器械运动范围，消除了颤抖，使原来不可能实施的眼内手术成为可能，增强了手术结果的可预测性，提高了手术成功率。尽管如此,将眼科机器人广泛应用于临床仍然,任重而道远,