[发明专利]基于光学导航及力反馈控制的颅颌面外科机器人系统

说明书

本发明涉及颅颌面外科机器人领域，具体为基于光学导航及力反馈控制的颅颌面外科机器人系统，该基于光学导航及力反馈控制的颅颌面外科机器人系统，利用光学导航系统，能够实时精准定位，提高系统的可靠性，也利用力反馈系统，能够根据术区的力学信息，外科医生随时介入手术，提高系统的易用性和可控性。并通过特定的颅颌面外科实验手术，测试机器人辅助手术的可行性。而今后，本颅颌面外科机器人系统将通过临床多中心实验及临床试验验证其稳定性和安全性，以期进入产业化，使之推广至临床应用。

技术领域

本发明涉及颅颌面外科机器人领域，具体为基于光学导航及力反馈控制的颅颌面外科机器人系统。

背景技术

颅颌面外科的领域包括了神经外科、口腔颌面外科、眼科、耳鼻喉科、头颈外科、整形外科等众多学科交叉，其常见的治疗有恶性肿瘤切除、复合外伤、畸形的整复治疗等。由于毗邻颅脑、解剖结构复杂，并且治疗需求与容貌密切相关，必须以最小创伤完成精确的术中操作。传统技术方法在术前预测仿真、手术执行精度和操作稳定性等方面已经无法满足治疗需求及专业发展，勉强为之则大大增加了并发症的产生。

20世纪初始，数字化外科技术不断地应用到外科领域，包括医学影像处理、三维重建及可视化技术、计算机辅助设计与制造、导航技术、外科机器人技术等等。其中外科机器人技术是集医学、机器人学、生物学、力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、机器视觉、数学分析等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。近年来，由于机器人在安全性、灵活性、精确性和稳定性等方面具有显著的优势，为了解决传统外科手术存在的精度不足、切口较大、辐射较多、操作疲劳等问题，人们开始探讨如何将机器人技术引入外科手术领域。借助机器人、传感器、控制器等技术的自身优势，为外科医生提供全新的治疗方法及系统，解决上述问题，改善手术效果，即需研发适合临床应用的智能化手术机器人系统。在神经外科，外科机器人能够成功地行脑内深部肿物进行活组织切片检查、垂体腺瘤切除术、第三脑室造口术、腰椎椎间盘切除术等；在骨科，进行全髋关节、全膝关节置换时，利用外科机器人可对植入物的骨通道进行预备；在泌尿生殖外科，外科机器人已经广泛用于前列腺切除术、膀胱切除术、肾脏切除术、输卵管吻合术、子宫肌瘤切除术；在胸外科，利用外科机器人对早期肺癌患者能够顺利地进行肺叶切除术；在心脏外科，外科机器人可成功完成二尖瓣修补术和冠状动脉搭桥术^[7]；此外，外科机器人在耳鼻喉科也逐步得到了开展。目前，已经商业化并获得FDA认证的外科机器人系统有伊索(AESOP)系统、Robodoc系统、宙斯(Zeus)系统、达芬奇(da Vinci)系统、NeuroMate系统、Minerva系统等。而在国内，北京航天航空大学和解放军海军总医院合作开发了基于虚拟现实的机器人辅助神经外科系统，并于1997年联合研制了第一代基于Puma 262工业机器人的脑外科机器人辅助定位系统CRAS，成功开展了临床应用，并在2005年取得了临床许可证。香港中文大学于2004年研发生产了第一台手术导航机械臂的样机，并应用于临床，准确完成了骨科手术中最常用的操作，在导航监控下钻孔上螺钉。天津大学于2006年成功研制主从异构显微外科手术机器人系统“妙手(MicroHand)”系统，实现了显微外科的精确操作。总体来说，外科机器人技术作为数字化外科技术研究领域的热点，国内开展外科机器人研究的单位较少，大多还停留在实验阶段，经过多年的努力，仅少数研究成果走向产业化，如天玑骨科机器人、威高骨科机器人等。

由于小型智能化机器人通过实现精确、稳定的三维空间运动，可以显著提高精细手术的可预见性，精确性和微创性，从而能有效弥补传统手术方法的不足，对颅颌面外科手术有着非常重要的临床应用价值,而国内外目前尚无针对性研究报道。我国人口众多，颅颌面部的患者日益增多，为了满足这些患者的手术需求，专业的、具有自主知识产权的、符合国情需求的颅颌面外科手术机器人显得十分重要。

结合前期对颅颌面外科机器人的实验研究经验，随着手术环境越来越接近真实临床应用，外科机器人的易用性、可靠性要求也逐渐提高，

现有的外科机器人能够根据术前设定的手术规划，在光学导航系统的辅助下，顺利执行相应的手术任务。