093731424 机制094 wh_wh实验一要求和目的

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机器人技术之医用机器人技术

前言：机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。我们今天介绍的医用机器人（mediacl robat）是一种智能型服务机器人，它能独自编制操作计划，依据实际情况确定动作程序，然后把动作变为操作机构的运动。因此，它有广泛的感觉系统、智能、模拟装置（周围情况及自身——机器人的意识和自我意识），从事医疗或辅助医疗工作。.今天我主要从一下几个方面来介绍医用机器人：首先是当今医用机器人应用途径和种类，其次是我国的医用机器人应用现状以及最后的医用机器人发张前进。

医用机器人种类很多，按照其用途不同，有运送物品机器人、移动病人机器人、临床医疗用机器人和为残疾人服务机器人、护理机器人、医用教学机器人等。

1运送药品机器人

运送药品机器人可代替护士送饭、送病例和化验单等，较为著名的有美国TRC公司的Help Mate机器人。

2移动病人机器人

移动病人机器人主要帮助护士移动或运送瘫痪、和行动不便的病人，如英国的PAM机器人，手术机器人。

3临床医疗用机器人

临床医疗用机器人包括外科手术机器人和诊断与治疗机器人，可以进行精确的外科手术或诊断，如日本的WAPRU－4胸部肿瘤诊断机器人；美国科学家正在研发一种手术机器人 “达·芬奇系统”，这种手术机器人得到了美国食品和药物管理局认证。它拥有4只机械触手。在医生操纵下，“达·芬奇系统”精确完成心脏瓣膜修复手术和癌变组织切除手术。美国国家航空和航天局计划将在其水下实验室和航天飞机上进行医用机器人操作实验。届时，医生能在地面上的电脑前就可以操纵水下和天外的手术。美国医用机器人还将被应用于军事领域。2005年，美国军方投资1200万美元研究“战地外伤处理系统”。这套机器人装置被安放在坦克和装甲车辆中，战时通过医生从总部传来的指令，机器人可以对伤者进行简单手术，稳定其伤情等待救援。

4为残疾人服务的机器人

为残疾人服务的机器人又叫康复机器人，可以帮助残疾人恢复独立生活能力，如美国的Prab Command系统。

5护理机器人

英国科学家正在研发一种护理机器人，能用来分担护理人员繁重琐碎的护理工作。新研制的护理机器人将帮助医护人员确认病人的身份，并准确无误地分发所需药品。将来，护理机器人还可以检查病人体温、清理病房，甚至通过视频传输帮助医生及时了解病人病情。

6医用教学机器人

医用教学机器人是理想的教具。美国医护人员目前使用一部名为“诺埃尔”的教学机器人，它可以模拟即将生产的孕妇，甚至还可以说话和尖叫。通过模拟真实接生，有助于提高妇产科医护人员手术配合和临场反应。7医用纳米机器人

“纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴，它根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。合成生物学对细胞信号传导与基因调控网络重新设计，开发“在体”（in vivo）或“湿”的生物计算机或细胞机器人，从而产生了另种方式的纳米机器人技术。

康复机器人

康复机器人又叫为残疾人服务的机器人，可以帮助残疾人恢复独立生活能力 我国医用机器人概况简介

1997年5月5日下午，由海军总医院与北京航空航天大学机器人研究所共同研制成功的第一台医用机器人，在两名医生和一名计算机专家的共同指令下首次完成立体定向颅咽管瘤内放射治疗术，从而掀开我国医用外科机器人前沿课题新的一页。启用机器人替代医生手工操作的原因，该医院神外中心医生认为是基于四个考虑：一是机器人定位更加精确，减少人为误差；二是可以代替医务人员进行有损害的操作，如注入放射性同位素；三是机器人定位时间短、定位精、创伤小；四是机器人可以预模拟手术操作、选择最佳入路手术方案等。

2010年我国第一台完全自主知识产权的医疗机器人“骨科导航机器人 ”获得了国家医疗器械注册许可证，今年已应用于临床治疗。这台机器人1米高，上面有两只可移动的机械臂。大夫将导针和空心钉安在机械臂上，机械臂会根据电脑指令自动调整好位置和角度。大夫需要做的仅仅是，在手术前根据一张患者患处的电子三维图做好规划。我国每年都有病患者因为股骨颈手术失败，导致股骨头坏死而瘫痪或死亡。如今，使用骨科导航机器人，手术中拍X光片的平均次数为14.9次，比传统方法少了40次以上，而且植入精度在1.5毫米以内，一次成功率100%。

未来医用机器人技术展望

呼口气即可体检的激光器

从1954年以来，酒精检测仪就一直被用来判定司机是否饮酒或酒醉程度。美国科罗拉多大学物理学家叶军将这个概念移植到一个全新的领域：医疗诊断。只要呼一口气，他设计的装置就能检测出数千种不同的生物分子，而且敏感到足以分辨出或许代表着特定疾病的罕见生物分子。对呼出内容物建立一个快照，就可检出从癌症到囊性纤维化等多种疾病的存在。

这种瞬时诊断仪由一个称为“光学频率梳”的激光器驱动，能发出宽频光波与空中的化合物进行反应。光频梳用来测量不同色彩(或频率)的光，其梳状线均调整至特定分子的明确振动频率或旋光性。而整个光频梳可涵盖广泛的光谱范围，其很像彩虹的颜色，能够监测出几千种不同的分子。叶军说，当处于规则间隔光频梳图示时，可以看到这道“彩虹”，一旦呼气分子穿过“彩虹”时，所掀起的共振频率将使光频梳看起来像缺了齿一般。当许多呼吸分子被同时监测到时，就能得到特定疾病的高可靠信息。譬如，最后的图示显示存在一氧化碳、过氧化氢和一氧化氮，呼气者就可能患有哮喘病。

叶军表示，患者不必再耗费数天来等待测试结果，“只需一分钟，你就能知道是怎么回事”。

先发制人的早期肿瘤抑制术

全世界的科学家都在全力以赴开发新的癌症治疗方法，这些新方法包括更有效的化学疗法及更好的骨髓移植程序，而美国约翰?霍普金斯大学生化学家托马斯?肯斯勒正致力于用更先进有效的新疗法取代所有这些努力。

肯斯勒和达特茅斯学院的同僚一起揭示了一种防止恶性肿瘤早期形成的惊人方式。就像地震和雪崩，癌症是整个序列的不稳定情况所造成的结果，如：不正常的细胞在错误的时间聚集在错误的地方；细胞与细胞间的通信被打破；细胞盲目地进行增殖和分化。肯斯勒通过利用一种称为CD鄄DO—Im的齐墩果酸类似物化合物治疗健康组织的方法，在实验室里扰乱这个序列。来自于植物酸的CDDO—Im可激活将有毒化合物从细胞—化合物(可能会制造出导致癌症的DNA突变)中消除的天然酶。CDDO—Im还具有与其他齐墩果酸衍生物一样的抗炎活性。所有这些使得CDDO—Im具有癌肿预防作用。CDDO—Im预防黄曲霉毒素引起的癌肿作用比至今所知的其他癌肿预防制剂都更有效。

肯斯勒说，未来数年内，CDDO—Im尚不能应用于临床。但到了可以提供给患者的那一天，一个健康的人就可根据自己的遗传易感性和所处的环境条件使用这个办法。研究人员的目的就是要阻止非常早期的癌细胞发生显著的变化。实时监测血压的植入式纳米线

在医生的办公室进行例行的血压检查，也许很快将成为往事。美国乔治亚理工学院物理学家王中林已经设计出一种可植入式的纳米线，能持续不断地测量血压的波动，使病人在家里就能追踪他们自己的身体状况。

那么这个传感器是如何工作的呢？研究人员使用的纳米线具有两个重要的特性：它既是半导体，又是压电材料。这意味着，如果施加一个外部机械力使纳米线弯曲，譬如血管收缩这样的外力，纳米线就会产生一个线内电场。此电场的存在影响了纳米线的导电率，而这是可以测量的。如果导电率发生变化，也就表明血压正在变化。

这项技术比以往的技术有了很大改进。旧式装置在手臂上需要一块相当大的裹布，但这个新式传感器却可以植入手臂并进行实时监测。患者戴上一个手表样的装置来记录数据，一旦有异常现象出现，手表就能立刻向患者或医生发送报警信号。

这种植入式纳米线很可能还有其他潜在的应用。科学家通常需要以自动的方式测量很小的压力变量。例如，在数百公里长的天然气管道上，类似的传感器就能有助于预测潜在的爆炸隐患。

杀灭超级细菌的超红外激光

抗病毒药物和抗生素一直都是艾滋病病毒和葡萄球菌这样的超级细菌的第一道防线，但抗病毒药物和抗生素也存在一些严重弊端：抗病毒药物可在胰腺和肝脏内肆虐，而抗生素却对固定的耐药菌株不起作用。作为应对措施，美国亚利桑那州立大学物理学家KT?曾教授开发出了一个多功能治疗工具：一个可杀灭细菌及病毒而不伤害周围组织的超红外激光器。该方法的创新之处在于以激光以机械的方式剿灭病原体，而不是以化学或生物方式。研究人员利用激光器在细菌或病毒的蛋白质外壳上制造一个大的振动，将其激活至足够高的能量态，致使其与外壳的微弱联系被打破。因为哺乳动物细胞没有这样的外壳，这种方法就能在保持患者身体完好无损的情况下摧毁那些不想要的病菌。

曾教授表示，初步的体外试验结果表明，激光有效地摧毁了艾滋病病毒。基于迄今为止所取得的进展，研究人员对在两年内医院用上这样的激光器表示乐观。

无副作用的微泡靶向递药

药物可以按照所设计的用途来治疗疾病，但是，当药物被不分青红皂白地被吸收入血管时也可触发令人衰弱的副作用。譬如，化疗片剂可引发恶心和脱发，而抗生素则能引起疲劳和呼吸短促。

为了帮助患者克服副作用，飞利浦公司的医药部门正在开发一种类似于靶向导弹运载系统的药物。飞利浦科学家将药物粒子放入氟碳气体的微型气泡中，然后注入患者的血液中。当气泡到达治疗靶区后，技术人员发出一个高能超声脉冲，与气泡形成共振导致气泡破裂，释放出药物粒子。

这项计划的领衔科学家克里斯多夫?霍尔表示，微泡将以更理性的方式付药剂量，可将高浓度的正确药物运到需要治疗的地方。有朝一日将能使用这种气泡包裹药物来治疗前列腺癌、乳腺癌和脑癌，并可消除通常治疗这些疾病所必须付出的激烈的身体代价。

游走于血液的微型机器人

目前，像肿瘤切除或疏通阻塞动脉等手术都需要患者在医院留驻很长时间。但以色列技术研究所的工程师沃戴德?索罗门开发出了一个蚊子大小的机器人，可使医生施行这些手术时无须留下大的切口，因此能使患者恢复得更快。创意得自上世纪80年代的游戏《激光手术：微观任务》中的一条线索，索罗门制作的机器人直径只有1毫米。这个被称为“ViRob”的机器人，其倒钩状的金属臂可抓住静脉和动脉的内部，并利用内置的切刀切开少量的组织。在大多数普通手术中，为操纵探针，医生必须抓住一个伸出身体的外部把手，但“ViRob”就没有这样的限制。机器人一旦注入静脉，操作者就可以通过将外部磁场调谐至不同频率来操纵其速度和方向。

索罗门称，因为不必从身体外部手动控制“Vi鄄Rob”，所以医生就可以进入其他手术不能到达的区域。医生甚至可以为一个在家的患者进行远程手术。他预测，专业人员将可在5年内使用该机器人进行活检和血管修复等程序。结论

通过对计算机成像、医用机器人和计算机辅助系 统的回顾，可以得出以下结论：

（1）医用机器人正在各个临床应用上得到发展，其应用对象遍及人体的各个器官和组织。

（2）计算机辅助系统的研究越来越高级,越来越细微。

（3）仍有一些问题尚需解决，如匹配问题、定位问题、安全问题、远程操控等问题。随着技术的成熟，医用机器人必将为人类的生命健康、物质和精神生活做出划时代的贡献。

参考文献：

[1] 费保蔚．计算机辅助外科手术的进展．生物医学工程学杂志，1998，15（2）：195—202．

[2] 费保蔚．医用机器人与计算机辅助外科手术的进展与应用．北京生物医学工程，1998，17（1）：47-54．

[3] 郑国焱．计算机辅助外科手术系统技术进展和应用．国外医学生物医学工程分册，1995，18（4）：202-209．

[4] 乔天富．中国机器人初显身手．中国科技报，2000，7：52一53．

[5] 秦绪佳．医学图像三维重建模型的剖切与立体视窗裁剪．计算机辅助设计与图形学报，2002，14（3）：52-53．