怎么搭建醫(yī)學(xué)研究虛擬人,醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實

1、機(jī)器人用與醫(yī)學(xué)方面的資料

   醫(yī)療機(jī)器人是目前國外機(jī)器人研究領(lǐng)域中最活躍、投資最多的方向之一，其發(fā)展前景非?？春?。近年來，醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)引起美、法、德、意、日等國家學(xué)術(shù)界的極大，研究工作蓬勃興起。二十世紀(jì)九十年代起，國際先進(jìn)機(jī)器人計劃(IARP)已召開過多屆醫(yī)療外科機(jī)器人研討會DARPA己經(jīng)立項，開展基于遙控操作的外科研究，用于戰(zhàn)傷模擬手術(shù)、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)。歐盟、法國國家科學(xué)研究中心也將機(jī)器人輔助外科手術(shù)及虛擬外科手術(shù)仿真系統(tǒng)作為重點研究發(fā)展的項目之一在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)出現(xiàn)醫(yī)療外科手術(shù)機(jī)器人市場化產(chǎn)品，并在臨床上開展了大量的病例應(yīng)用研究。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 特別是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 醫(yī)用機(jī)器人在臨床中的作用越來越受到人們的重視。外科手術(shù)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)作為外科醫(yī)生的第三只眼, 可以讓手術(shù)醫(yī)師看到手術(shù)部位的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 避免了因醫(yī)生經(jīng)驗不足而造成的手術(shù)失誤, 使手術(shù)更安全、更可靠、更精確、更科學(xué), 具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

現(xiàn)在, 它已經(jīng)成功地應(yīng)用到神經(jīng)外科、整形外科、泌尿科、脊椎、耳鼻喉科、眼科、膝關(guān)節(jié)切除以及腹腔鏡等眾多領(lǐng)域中。由此, 依靠醫(yī)學(xué)成像、裝置、傳感器、計算機(jī)和機(jī)械手等的輔助, 從一個開放的、完全的人工手術(shù)到輔助醫(yī)生進(jìn)行最小侵入性手術(shù)。另外, 醫(yī)生在選擇最佳的手術(shù)路徑、執(zhí)行復(fù)雜的外科手術(shù)和提高手術(shù)的成功率等方面也受益匪淺。

創(chuàng)外科手術(shù)(MIS)技術(shù)興起于～mm,長時間準(zhǔn)確把握手術(shù)器械會使醫(yī)生感到非常 疲勞,另外,由于醫(yī)生手部的顫抖而傳遞到器械末端的誤差也會隨之增大。而利用機(jī)器人技術(shù)就可以很好的解決上述問題。因為機(jī)器人具有定位準(zhǔn)確、大大減低工作強(qiáng)度等優(yōu)勢,而且,它還可以通過軟件編程實現(xiàn)消顫、提高手術(shù)精度。創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上相比,系統(tǒng)針對性更強(qiáng),通常一種結(jié)構(gòu)只適用于一種手術(shù)操作。對于主從式機(jī)器人,在手術(shù)中,手術(shù)醫(yī)生的決策通過主手傳遞到從手,通過監(jiān)視從手的運(yùn)動情況,調(diào)整或修正控制以達(dá)到預(yù)期的結(jié)果,實現(xiàn)創(chuàng)手術(shù)。由于從手系統(tǒng)直接作用于患者,它的性能高低直接影響整個系統(tǒng)的性能、手術(shù)的質(zhì)量、以及系統(tǒng)的安全性等等。

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展, 型計算機(jī)無論從計算速度還是從內(nèi)存容量上都可以滿足手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的要。在我國, 開發(fā)基于型計算機(jī)的小型化、低成本、高精度的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)將是一個發(fā)展趨勢。

1、文獻(xiàn)綜述

與其它機(jī)器人相比，醫(yī)療機(jī)器人具有以下幾個特點：①其作業(yè)環(huán)境一般在醫(yī)院、街道、家庭及非特定的多種場合，具有移動性與導(dǎo)航、識別及規(guī)避能力，以及智能化的人機(jī)交互界面。在需要人工控制的情況下，還要具備遠(yuǎn)程控制能力。②醫(yī)療機(jī)器人的作業(yè)對象是人、人體信息及相關(guān)醫(yī)療器械，需要綜合工程、醫(yī)學(xué)、生物、藥物及社會學(xué)等各個學(xué)科領(lǐng)域的知識開展研究課題。③醫(yī)療機(jī)器人的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計必須以易消毒和滅菌為前提，安全可靠且無輻射。④以人作為作業(yè)對象的醫(yī)療機(jī)器人，其性能必須滿足對狀況變化的適應(yīng)性、對作業(yè)的柔軟性，對危險的安全性以及對人體和精神的適應(yīng)性等。⑤醫(yī)療機(jī)器人之間及醫(yī)療機(jī)器人和醫(yī)療器械之間具有或預(yù)留通用的對接接口，包括信息通訊接口、人機(jī)交互接口、臨床輔助器材接口以及傷病員轉(zhuǎn)運(yùn)接口等。

從技術(shù)上講醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展是建立在以下幾種基本技術(shù)的基礎(chǔ)上：它們是機(jī)械設(shè)計與制造技術(shù)、傳感器應(yīng)用技術(shù)、自動控制技術(shù)、驅(qū)動器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)。根據(jù)用途醫(yī)療機(jī)器人大致可以分為救援機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人和康復(fù)機(jī)器人。

手術(shù)機(jī)器人在具備了機(jī)器人的基本特點同時，還有其自身的選位準(zhǔn)確、動作精細(xì)、避免病人感染等特點。在血管縫合手術(shù)時，人工很難進(jìn)行細(xì)于1 mm以下的血管縫合，如果使用手術(shù)機(jī)器人， mm的精度；用手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)避免了醫(yī)生直接接觸患者的血液，大大減少了患者的感染危險。

商業(yè)化的手術(shù)機(jī)器人最早出現(xiàn)在年，由美國Computer Motion研制，實質(zhì)上是一種聲控腹腔鏡自動“扶鏡手”，命名為AESOP。手術(shù)機(jī)器人于年月首次成功實現(xiàn)了跨大西洋(美國紐約法國斯特拉斯堡)的機(jī)器人腹腔鏡膽囊切除術(shù)。目前，手術(shù)機(jī)器人不僅完成了普外科，還有腦神經(jīng)外科、心臟修復(fù)、膽囊摘除、人工關(guān)節(jié)置換、泌尿科和整形外科等方面的手術(shù)。

盡管如此，手術(shù)機(jī)器人還有許多方面需要不斷的完善和改進(jìn)，通過增加“人造視野”系統(tǒng)，可在手術(shù)過程中監(jiān)視術(shù)野，輔助術(shù)者做出判斷，增加手術(shù)的安全性；用軟件來處理觸覺和視覺圖像的整合、分割和合成；提供穩(wěn)定的觸覺控制，識別不同的人體組織，進(jìn)行關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)的圖像識別和圖像分割；具有良好的觸覺反饋和位置覺。

型機(jī)電技術(shù)的不斷深入發(fā)展為小型機(jī)器人甚至納米機(jī)器人提供了技術(shù)支持,它可以直接進(jìn)入人體器內(nèi)部進(jìn)行工作,完成組織取樣、血管疏通、藥物定點放置、型手術(shù)和細(xì)胞操作等普通醫(yī)療技術(shù)和手段無法完成的工作。目前，國外正在研制和開發(fā)體內(nèi)自主行走式診斷治療、體內(nèi)細(xì)手術(shù)和體內(nèi)藥物直接投放型外科手術(shù)機(jī)器人。醫(yī)生用注射器將型機(jī)器人推入人體內(nèi)部,由它所攜帶的生物傳感器對人體組織進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有病變組織時,型手術(shù)機(jī)器人對病變組織進(jìn)行直接手術(shù)和藥物注射治療。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所成功研制出納米級精密定位系統(tǒng),在這個系統(tǒng)支持下的納米級高精密驅(qū)動機(jī)器人,能對細(xì)胞和染色體進(jìn)行“顯手術(shù)”。納米級機(jī)器人可在人體觀世界行走,隨時清除人體中的一切有害物質(zhì),修復(fù)損壞的基因,激活細(xì)胞能量,使人不僅僅保持健康,而且延長壽命。

醫(yī)療機(jī)器人將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域，極大的推動了現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，是現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生裝備的發(fā)展方向之一。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新、社會的老齡化和現(xiàn)代戰(zhàn)爭的高技術(shù)化，以及醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，各療機(jī)器人及其輔助醫(yī)療技術(shù)將得到更深入而廣泛的研究和應(yīng)用,促進(jìn)醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展。

空間定位技術(shù)

在計算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)中, 空間定位是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵, 直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的精度和計算機(jī)輔助手術(shù)的成敗。其作用就是實時測出手術(shù)器械的空間位置和姿態(tài), 根據(jù)定位傳感器的不同, 可分為機(jī)械定位、超聲定位、電磁定位和光學(xué)定位法。

（1）機(jī)械定位

機(jī)械定位是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)最初的定位方法, 屬于無源定位。定位用機(jī)械手至少應(yīng)有 mm。機(jī)械手定位的優(yōu)點是不會被阻塞, 不會被障礙遮擋, 同時可在特定位置夾住或放置手術(shù)器械。缺點是在手術(shù)中較為笨拙, 施加在機(jī)械手上的壓力可使數(shù)據(jù)發(fā)生變化, 同時存在固定裝置和制動器的位移誤差。機(jī)械定位常用于無臂系統(tǒng)的標(biāo)定和檢查。

? (2) 超聲定位

通過測量超聲波的傳播時間來測量超聲波發(fā)射器與接收器間的距離。在手術(shù)器械上放置N (至少大于3) 個發(fā)射器, 即可計算出手術(shù)器械的位置和姿態(tài)。該系統(tǒng)的絕對精度一般為5mm。超聲波定位的主要問題在于溫度對超聲波的影響、空氣位移、空氣非均勻性以及發(fā)射器的大尺寸等。

? (3) 電磁定位

在電磁定位系統(tǒng)中, 每個電磁產(chǎn)生線圈定義一個空間方向, 3 個線圈確定三個空間方向, 然后再根據(jù)已知的相對位置關(guān)系就可以對目標(biāo)的空間位置進(jìn)行定位。電磁定位系統(tǒng)的精度為2mm。電磁定位的精度較高, 又屬于非接觸式定位。但系統(tǒng)磁場對工作空間中的任何金屬物體的引入都很敏感。

? (4) 光學(xué)定位

光學(xué)定位是目前手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的主流定位方法。以CCD 攝像機(jī)作為傳感器,測量目標(biāo)為安裝在手術(shù)器械上的幾個紅外發(fā)光二極管, 通過紅外發(fā)光二極管的空間位置, 計算出手術(shù)器械的位置和姿態(tài)。根據(jù)所用攝像機(jī)的不同, 光學(xué)定位可分為線陣CCD和面陣CCD兩種。面陣CCD 測量系統(tǒng)由兩個面陣CCD 攝像機(jī)組成, 采用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭, 在圖像中的每個光點定義了空間的一個投影線, 采用空間兩個攝像機(jī)可計算其對應(yīng)投影線的交點, 獲得點的三維坐標(biāo)。線陣CCD 測量系統(tǒng)采用柱面鏡頭, 利用) , 其空間分辨率就很高, 典型的線陣CCD 導(dǎo)航系統(tǒng)精度在mm。光學(xué)定位系統(tǒng)的優(yōu)點是精度高, 處理靈活方便,但易受術(shù)中手的遮擋、周圍光線及金屬物體鏡面反射的影響。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實,簡稱R技術(shù)（英文名為irtual Reality）.這一名詞是由美國PL創(chuàng)建人拉尼爾在年代初提出的，我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將它翻譯為“靈境技術(shù)”它是將模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)合三為一，并利用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數(shù)據(jù)服、立體聲耳機(jī)、數(shù)據(jù)手套及腳踏板等傳感裝置，把操作者與計算機(jī)生成的三維虛擬環(huán)境鏈接在一起。操作者通過傳感器與虛擬環(huán)境交互作用，可獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知，并按照自己的意愿去改變的虛擬環(huán)境被稱之虛擬現(xiàn)實。