Información sobre robots y medicina
Los robots médicos son actualmente una de las direcciones más activas y con mayor inversión en el campo de la investigación robótica extranjera, y sus perspectivas de desarrollo son muy prometedoras. En los últimos años, la tecnología de robots médicos ha atraído gran atención de los círculos académicos de Estados Unidos, Francia, Alemania, Italia, Japón y otros países, y el trabajo de investigación ha florecido. Desde la década de 1990, el Programa Internacional de Robótica Avanzada (IARP) ha celebrado varios simposios sobre robots médicos y quirúrgicos. DARPA ha establecido un proyecto para llevar a cabo investigaciones quirúrgicas basadas en operaciones de control remoto para cirugía de simulación de lesiones de guerra, entrenamiento quirúrgico y enseñanza de anatomía. La Unión Europea y el Centro Nacional Francés de Investigación Científica también consideran la cirugía asistida por robot y los sistemas de simulación quirúrgica virtual como uno de sus proyectos clave de investigación y desarrollo. Los productos orientados al mercado para robots quirúrgicos médicos han aparecido en países desarrollados y se han utilizado en. un gran número de casos clínicos. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, especialmente el desarrollo de la tecnología informática, el papel de los robots médicos en la práctica clínica ha atraído cada vez más atención. Como tercer ojo del cirujano, el sistema de navegación auxiliar quirúrgico le permite ver la estructura interna del sitio quirúrgico, evita errores quirúrgicos causados por la inexperiencia del médico y hace que la cirugía sea más segura, confiable, precisa y eficiente. tiene perspectivas de aplicación extremadamente amplias. Actualmente se ha utilizado con éxito en muchos campos, como la neurocirugía, la cirugía plástica, la urología, la columna vertebral, la otorrinolaringología, la oftalmología, la resección de la articulación de la rodilla y la laparoscopia. Así, contando con la asistencia de imágenes médicas, microdispositivos, sensores, computadoras y robots, se puede pasar de una cirugía abierta y completamente manual a ayudar a los médicos a realizar cirugías mínimamente invasivas. Además, los médicos también se benefician mucho al seleccionar la mejor vía quirúrgica, realizar cirugías complejas y mejorar la tasa de éxito de las cirugías. La tecnología de cirugía mínimamente invasiva (MIS) surgió en la década de 1980 y generalmente se denomina cirugía intervencionista. Se basa en diversos equipos de imágenes visuales e instrumentos y equipos quirúrgicos avanzados y flexibles para introducir instrumentos quirúrgicos en el cuerpo humano a través de pequeñas incisiones para tratamiento o diagnóstico. En comparación con la cirugía abierta tradicional, la cirugía mínimamente invasiva tiene muchas ventajas, como menos trauma, menos dolor para los pacientes, una recuperación postoperatoria más rápida, mejor calidad quirúrgica y menores costos médicos y sociales. Por tanto, ser ampliamente bien recibido por médicos y pacientes es una tendencia inevitable en el desarrollo de la cirugía. La cirugía laparoscópica mínimamente invasiva, como representante de la cirugía mínimamente invasiva, es un cambio importante con respecto a la cirugía abierta tradicional. Sin embargo, la cirugía laparoscópica también presenta algunos problemas durante la operación. Por ejemplo, cuando un médico opera instrumentos frente a la mesa de operaciones, la distancia entre las manos del médico y el extremo del instrumento es generalmente de 400 a 500 mm. Sostener con precisión los instrumentos quirúrgicos durante mucho tiempo hará que el médico se sienta muy cansado. Además, debido a la fatiga de las manos del médico, también aumentará el error transmitido al extremo del instrumento debido a la vibración. Los problemas anteriores se pueden resolver bien mediante el uso de tecnología robótica. Debido a que el robot tiene las ventajas de un posicionamiento preciso y una intensidad de trabajo muy reducida, también puede lograr la desfibrilación y mejorar la precisión quirúrgica mediante la programación de software. En comparación con los robots industriales tradicionales, los robots quirúrgicos mínimamente invasivos tienen una estructura más específica del sistema. Por lo general, una estructura solo es adecuada para una operación quirúrgica. Para los robots maestro-esclavo, durante la cirugía, la toma de decisiones del cirujano se transmite a la mano esclava a través de la mano maestra. Al monitorear el movimiento de la mano esclava, el control se ajusta o modifica para lograr los resultados deseados, logrando así una invasión mínima. cirugía. Dado que el sistema esclavo actúa directamente sobre el paciente, su desempeño afecta directamente al desempeño de todo el sistema, la calidad de la cirugía, la seguridad del sistema, etc. Con el continuo desarrollo de la tecnología informática, las microcomputadoras pueden cumplir con los requisitos de los sistemas de navegación quirúrgica en términos de velocidad de cálculo y capacidad de memoria. En nuestro país, el desarrollo de sistemas de navegación quirúrgica miniaturizados, de bajo coste y alta precisión basados en microcomputadoras será una tendencia de desarrollo. 1. Revisión de la literatura 3.1 En comparación con otros robots, los robots médicos tienen las siguientes características: ① Su entorno operativo es generalmente en hospitales, calles, hogares y situaciones no específicas, y tiene capacidades de movilidad y navegación, reconocimiento y evitación, e inteligentes. Interfaz de interacción persona-computadora. Cuando se requiere control manual, también se requieren capacidades de control remoto.
② Los robots médicos trabajan con personas, información del cuerpo humano y dispositivos médicos relacionados, y requieren conocimientos integrales de diversas disciplinas como ingeniería, medicina, biología, medicina y sociología para llevar a cabo proyectos de investigación. ③La selección de materiales y el diseño estructural de los robots médicos deben basarse en una fácil desinfección y esterilización, seguridad, confiabilidad y ausencia de radiación. ④ El desempeño de los robots médicos que utilizan humanos como objetos operativos debe satisfacer la adaptabilidad a los cambios en las condiciones, la flexibilidad en las operaciones, la seguridad contra peligros y la adaptabilidad al cuerpo y la mente humanos. ⑤ Los robots médicos, los robots médicos y los equipos médicos tienen o reservan interfaces de acoplamiento universales, incluidas interfaces de comunicación de información, interfaces de interacción persona-computadora, interfaces de equipos auxiliares clínicos e interfaces de transporte de pacientes, etc. Técnicamente hablando, el desarrollo de robots médicos se basa en las siguientes tecnologías básicas: tecnología de fabricación y diseño mecánico, tecnología de aplicación de sensores, tecnología de control automático, tecnología de controladores y tecnología de interacción persona-computadora. Los robots médicos se pueden dividir a grandes rasgos en robots de rescate, robots quirúrgicos, robots de transporte y robots de rehabilitación según sus usos. Los robots quirúrgicos no solo tienen las características básicas de los robots, sino que también tienen sus propias características, como la selección precisa de la posición, los movimientos precisos y la prevención de infecciones del paciente. Durante la cirugía de sutura de vasos sanguíneos, es difícil suturar manualmente vasos sanguíneos que sean más delgados que 1 mm. Si se utiliza un robot quirúrgico, la cirugía de sutura de vasos sanguíneos puede lograr una precisión de menos de 0,1 mm. El contacto directo del médico con la sangre del paciente, lo que reduce en gran medida el riesgo de infección del paciente. El robot quirúrgico comercial apareció por primera vez en 1994 y fue desarrollado por American Computer Motion Company. Es esencialmente una "mano de alcance" automática laparoscópica controlada por voz llamada AESOP. El robot quirúrgico completó la primera cirugía laparoscópica, una colecistectomía, en marzo de 1997 en el Hospital St Pierre de Bruselas, Bélgica. En 1998, el sistema Zeus desarrollado por ComputerMotion, el sistema da Vinci desarrollado por Intuitive Surgical y el sistema Laprotek desarrollado por endoVia lograron el éxito respectivamente. Estos tres sistemas se componen de tres partes principales: consola médica, manipulador y dispositivo endoscópico. El sistema Zeus utiliza un método de señal pura para controlar el brazo robótico desde la consola del médico y no se ve afectado por los retrasos del vídeo en la distancia de transmisión. El sistema Zeus realizó con éxito una colecistectomía laparoscópica robótica transatlántica (Nueva York, EE. UU. - Estrasburgo, Francia) por primera vez en septiembre de 2001. En la actualidad, los robots quirúrgicos no sólo realizan cirugía general, sino que también realizan operaciones en neurocirugía cerebral, reparación cardíaca, extirpación de la vesícula biliar, reemplazo de articulaciones artificiales, urología y cirugía plástica. A pesar de esto, todavía hay muchos aspectos de los robots quirúrgicos que necesitan mejoras y mejoras continuas. Al agregar un sistema de "campo de visión artificial", se puede monitorear el campo quirúrgico durante la operación, lo que ayuda al cirujano a tomar decisiones y aumenta la seguridad. de la operación; utilizar software para manejar la integración, segmentación y síntesis de imágenes táctiles y visuales; proporciona un control táctil estable, identifica diferentes tejidos humanos, realiza reconocimiento de imágenes y segmentación de imágenes de estructuras anatómicas clave; tiene buena retroalimentación táctil y sentido de posición; El desarrollo continuo y profundo de la tecnología microelectromecánica ha brindado soporte técnico para microrobots e incluso nanorobots, que pueden ingresar directamente al interior de los órganos humanos para completar el muestreo de tejido, el dragado de vasos sanguíneos, la colocación selectiva de medicamentos, micro -cirugía y manipulación celular y otras tecnologías y tecnologías médicas comunes. El trabajo no se puede realizar por medios. En la actualidad, países extranjeros están investigando y desarrollando robots microquirúrgicos para el diagnóstico y tratamiento de la marcha autónoma dentro del cuerpo, la microcirugía dentro del cuerpo y la administración directa de medicamentos al cuerpo. El médico utiliza una jeringa para empujar el microrobot dentro del cuerpo humano y el sensor microbiano que lleva detecta el tejido humano. Cuando se encuentra tejido enfermo, el robot de microcirugía realiza cirugía directa y tratamiento de inyección de fármacos en el tejido enfermo. El Instituto de Robótica del Instituto de Tecnología de Harbin ha desarrollado con éxito un sistema de posicionamiento de precisión a nanoescala. Con el apoyo de este sistema, los robots microimpulsados de alta precisión a nanoescala pueden realizar "microcirugía" en células y cromosomas. Los robots a nanoescala pueden caminar en el mundo microscópico del cuerpo humano, eliminar todas las sustancias nocivas del cuerpo humano en cualquier momento, reparar genes dañados y activar la energía celular, lo que permite a las personas no solo mantenerse saludables sino también extender su vida útil.
Los robots médicos aplican tecnología robótica al campo médico, lo que ha promovido en gran medida el desarrollo de la tecnología médica moderna y es una de las direcciones de desarrollo de los equipos médicos y de salud modernos. Con la continua actualización de la ciencia y la tecnología, el envejecimiento de la sociedad y la alta tecnificación de la guerra moderna, así como el desarrollo de la tecnología médica, varios robots terapéuticos y su tecnología médica auxiliar recibirán investigaciones y aplicaciones más profundas y extensas. , promoviendo el desarrollo de la tecnología de robots médicos. 3.2 Tecnología de posicionamiento espacial En los sistemas de navegación asistidos por computadora, el posicionamiento espacial es la clave de todo el sistema y está directamente relacionado con la precisión de todo el sistema y el éxito o fracaso de la cirugía asistida por computadora. Su función es medir la posición espacial y la actitud de los instrumentos quirúrgicos en tiempo real. Según diferentes sensores de posicionamiento, se puede dividir en métodos de posicionamiento mecánico, posicionamiento ultrasónico, posicionamiento electromagnético y posicionamiento óptico. (1) Posicionamiento mecánico: el posicionamiento mecánico es el método de posicionamiento original del sistema de navegación quirúrgica y es un posicionamiento pasivo. El manipulador de posicionamiento debe tener al menos 6 grados de libertad y cada articulación debe tener un codificador. La posición y rotación de los instrumentos quirúrgicos asociados con el manipulador se pueden calcular mediante el modelo geométrico del manipulador y el valor instantáneo del codificador de articulación. La precisión típica es: 2 ~ 3 mm. La ventaja del posicionamiento del robot es que no se verá bloqueado ni bloqueado por obstáculos y, al mismo tiempo, los instrumentos quirúrgicos se pueden sujetar o colocar en ubicaciones específicas. La desventaja es que es torpe durante la cirugía, la presión ejercida sobre el manipulador puede provocar cambios en los datos y hay errores de desplazamiento en el dispositivo de fijación y el actuador. El posicionamiento mecánico se utiliza a menudo para la calibración e inspección de sistemas sin brazos. (2) El posicionamiento ultrasónico mide la distancia entre el transmisor ultrasónico y el receptor midiendo el tiempo de propagación de las ondas ultrasónicas. Colocando N (al menos más de 3) transmisores en el instrumento quirúrgico, se puede calcular la posición y actitud del instrumento quirúrgico. La precisión absoluta de este sistema es generalmente de 5 mm. Los principales problemas en el posicionamiento ultrasónico son el efecto de la temperatura sobre las ondas ultrasónicas, el desplazamiento del aire, la falta de uniformidad del aire y el gran tamaño del transmisor. (3) Posicionamiento electromagnético En el sistema de posicionamiento electromagnético, cada bobina generadora electromagnética define una dirección espacial y tres bobinas determinan tres direcciones espaciales. Luego, la posición espacial del objetivo se puede posicionar en función de la relación de posición relativa conocida. La precisión del sistema de posicionamiento electromagnético es de 2 mm. El posicionamiento electromagnético tiene mayor precisión y es un posicionamiento sin contacto. Pero el campo magnético del sistema es sensible a la introducción de cualquier objeto metálico en el espacio de trabajo. (4) Posicionamiento óptico El posicionamiento óptico es el método de posicionamiento principal en los sistemas de navegación quirúrgica actuales. La cámara CCD se utiliza como sensor y el objetivo de medición son varios diodos emisores de luz infrarroja instalados en el instrumento quirúrgico. La posición y la postura del instrumento quirúrgico se calculan a través de la posición espacial del diodo emisor de luz infrarroja. Dependiendo de la cámara utilizada, el posicionamiento óptico se puede dividir en dos tipos: CCD de matriz lineal y CCD de matriz de área. El sistema de medición CCD de matriz de área consta de dos cámaras CCD de matriz de área, que utilizan lentes estándar. Cada punto de luz en la imagen define una línea de proyección en el espacio. Utilizando dos cámaras en el espacio, se puede calcular la intersección de sus líneas de proyección correspondientes y el punto. Se obtienen coordenadas tridimensionales. El sistema de medición CCD de matriz lineal utiliza una lente cilíndrica y se compone de tres CCD de matriz lineal con posiciones relativas fijas. La intersección vertical del plano determinada por el punto medido y el eje del nodo de la lente y el elemento sensible es la imagen formada por. el punto medido. A través de 3 La intersección de un determinado plano puede determinar la posición espacial del punto medido. Dado que la resolución del CCD de matriz lineal puede ser muy alta (4096), su resolución espacial es muy alta. La precisión de un sistema de navegación CCD de matriz lineal típico está dentro de 0,5 mm, mientras que la precisión típica de un sistema CCD de matriz de área. es de 1 mm. Las ventajas del sistema de posicionamiento óptico son su alta precisión, su procesamiento flexible y conveniente, pero se ve fácilmente afectado por la oclusión de la mano durante la cirugía, la luz ambiental y el reflejo especular de los objetos metálicos.
3.2 Tecnología de realidad virtual Realidad virtual, conocida como tecnología VR (su nombre en inglés es Realidad Virtual). Este término fue propuesto por Lanier, el fundador de la empresa estadounidense VPL, a principios de la década de 1980. El famoso científico chino Qian Xuesen lo tradujo como ". "Reino espiritual" La "Tecnología" combina el entorno de simulación, el sistema visual y el sistema de simulación en uno, y utiliza dispositivos de detección como pantallas montadas en cascos, gafas gráficas, trajes de datos, auriculares estéreo, guantes de datos y pedales para conectar al operador y al Los entornos virtuales 3D generados por computadora están vinculados entre sí. El operador interactúa con el entorno virtual a través de sensores, y puede obtener diversas percepciones como visión, oído, tacto, etc., y el entorno virtual que puede cambiar según sus propios deseos se denomina realidad virtual.