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针对机器人辅助手术的创新机械控制器设计

东京工业大学的科学家为机器人手术中使用的机器人手臂设计了一种新型控制器。他们的控制器结合了市售机器人系统中使用的两种不同类型的夹具,以利用两者的优势,从而减少了外科医生的工作量并提供了良好的精度。

机器人技术已涉足许多领域,医学也不例外。在过去的十年中,机器人辅助手术在几乎每个外科专业领域都取得了巨大的进步。机器人辅助手术通常使用涉及主从配置的外科手术机器人系统执行,其中“主”是外科医生操纵以控制机械臂的控制器设备。这样的系统通过滤除手部震颤并将其手部动作缩放为较小的动作,从而提高了外科医生的灵活性和准确性。它们还降低了常见手术并发症(如手术部位感染)的风险。

然而,机器人辅助手术有其自身的缺点,特别是对于进行手术的人。机器人外科医生有时会在手术过程中感到身体不适,手指疲劳很常见。这种不适与他们握住主控制器的方式有关。通常使用两种类型的手柄来控制外科手术机器人:“捏紧手柄”和“电动手柄”。捏紧手柄已在常规手术中使用了多个世纪。它涉及使用拇指,中指和食指来实现高精度运动。另一方面,电动手柄包括用整只手抓住手柄,更适合于有力的工作和较大的运动。

由于捏握会在手和手指的某些肌肉上施加压力,因此更容易引起疲劳。而且,尽管电动握柄似乎并未引起这种不适,但它的控制精度较差。因此,在由捏握引起的不适和对动力握柄的精细控制的缺乏之间存在折衷。幸运的是,东京工业大学(东京理工大学)的一对研究人员Solmon Jeong先生和Kotaro Tadano博士找到了解决此问题的灵巧方法。在《国际医疗机器人与计算机辅助外科杂志》上发表的一项研究中,研究人员推测可以设计出结合了两种抓地力的主控制器。Tadano博士解释说:“在机器人手术中,两种传统的抓持方法的局限性与每种抓持类型的优缺点密切相关。因此,我们想研究一种联合抓持方法是否可以改善机器人手术中的操纵性能,因为这可以利用两种夹持类型的优点,同时弥补它们的缺点。”

经过概念验证实验并取得了可喜的结果之后,研究人员设计了一个带有模块化主控制器的机器人手术系统,该系统可以进行调整,以采用捏合,电动或组合抓紧方式。该系统通过定点实验进行了测试,其中有15名参与者必须控制机械臂,以在最短时间内将针尖带入目标孔而不会碰到障碍物。针对每种握持类型测试了各种条件,例如使用手臂和掌托,使用手柄,握持类型以及捏握动作。研究结果表明,组合的抓地力在指向性实验的各个方面产生了更好的性能,包括失败的次数(触摸障碍物),所需的时间以及为达到目标而进行的动作的总长度。

这种新的主控制器设计可能是机器人辅助手术朝正确方向迈出的一步。“机器人手术主控制器的操纵方法在直观性,舒适性,精度和稳定性方面都具有重大影响。除了能够进行精确的操作外,舒适的操纵方法还可能使患者和外科医生受益。”多田野尽管需要进一步的工作来分析与机械手臂操作有关的其他变量,但是这项工作无疑为高级外科手术机器人系统铺平了道路。

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