无框架立体定位神经外科手术机器人机械部分设计.doc

毕业设计说明书（论文）中文摘要 目的 机器人技术已经被广泛应用于外科手术领域机器人辅助手术不但能提高手术的精确度、灵敏度，减少了人的手部颤抖，而且可以在手术过程中随时调整手术操作的移动距离和力度以符合手术的要求基于以上的优点，对原有的机器人系统进行了研究，对机器人本体机械部分进行改经性设计，把原来的被动式机构改进成主动式机构，这样可以更好的辅助外科医生进行手术方法 安装驱动电机来实现各个关节的相互运动，并且对传动件进行设计和强度校核结果 在电机的驱动下，各个关节之间运动平稳，没有振动；因此被运用于手术机器人系统结论 机器人辅助无框架立体定向手术方便外科手术医生操作，提高了手术的安全性，有广阔的应用前景关键词 神经外科 无框架 机器人 立体定向手术技术本科毕业设计说明书（论文） 第3页 共44页毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Design of Frameless Sterotactic Operation System for Neurosurgery ——Mechanism Design and Manufacture AbstractObjective Robots offer a wide array of benefits in the surgical arena. They increase the accuracy and dexterity of the surgeon,reduce the tremor of the human hand,and can simplify or reduce the movement and force applied by the surgeon.On the basis of all above,the machinery designed is put into improved design,that is being transformed passive type into active type,for the sake of assisting the surgeon operating better.Methods Fixing AC motor on it is realizing relative position changing from each joint，and the stalk which are used in delivering various kinds of dint are take a examination and improved design.Results Drived by the motor,the arm can move smoothly under low speed,without vibration either,which is often used in surgery robotic systrm.Conclusion Robot used in assisting frameless sterotatic operation makes the surgeons manipulate easily,increasing safety of operation,which has bright future.Keywords neurosurgery frameless robot sterotatic technique目 录1 引言 12 医疗器械的设计原则及程序 52.1 医疗器械的概念及构成 52.2 医疗器械的设计及程序 62.3 医疗器械的技术经济评价 72.3 结论 83 无框架立体定向导航手术系统的系统构成 83.1 无框架立体定向导航手术系统的发展 83.2 无框架立体定向导航手术系统的关键技术 113.3 无框架立体定向导航手术工作原理 143.2 无框架立体定向导航手术系统的系统构成 164 驱动部分的设计 184.1 驱动部分综合概述 184.2 电机的选择 204.3 减速器的选择 284.4 法兰盘设计 295 驱动部分的安装结构设计 305.1 末端执行机构的驱动部件的安装结构设计 305.2 手腕的驱动部件的安装结构设计 305.3 小臂的驱动部件的安装结构设计 315.4 大臂的驱动部件的安装结构设计 325.5 底座的驱动部件的安装结构设计 335.6 电缆的布局 346 传动部件的强度校核 346.1 传动轴的强度校核 346.2 齿轮的强度校核 367原机构的改进 38结 论 39致 谢 41后记 42参 考 文 献 441.引言 近几年来，医疗机器人与计算机辅助医疗外科技术已经在多学科交叉领域中兴起，并成为越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题之一。

它是在计算层面扫描图像或核磁共振图像基础上构成的三维医疗模型，用于医疗外科手术规划和虚拟操作，最后完全实现多传感器的辅助手术定位和操作准确性越来越高机器人在三维空间具有高准确性，可以做到人手不能达到的高精度医疗外科机器人系统由辅助规划导航和辅助操作子系统组成，在一个具体的医疗外科机器人系统中这两个子系统既可以并存，也可以独立存在手术规划导航以计算机图形学为基础，以CT、MRI、血管 造影等影像学为主要手段，在手术前由计算机通过病人的诊断图像（ CT、MRI、血管造影等）来构造出病体的内部结构三维模型辅助操作则以三维模型和手术器械跟踪为基础，辅以相应的软件医生在外科手术前后得到以下三方面的帮助：第一，在开始手术之前，医生可以浏览病人手术部位的三维重构图像，从而对该部位及邻近区域的解剖结构有一个明确的认识，然后进行手术规划，如勾画病灶轮廓，确定手术路径第二，手术规划完成后，医生可以在三维图像上进行手术的仿真操作，以确定最佳的手术方案第三，最后通过机器人系统完成手术的导航、定位和具体操作在手术过程中，医生可以观察到手术器械在人体组织中的位置和器械周边的组织信息，以确保手术的安全进行传统的手术方法由于手术部位不能预见，手术过程亦不能预演，手术的成功与否过分依赖于外科医生的解剖学知识和手术经验，手术的风险和创伤都比较大。

而在手术规划导航系统上进行手术方案选择时，医生亦可以将他以往的经验融于其中，使手术方案的可行性得到进一步的提高辅助手术操作是在手术规划导航完成后，再将手术方案的技术参数从手术规划导航系统传送给机器人控制器，通过映射算法将图像空间（计算机空间）的规划参数变换到机器人操作空间，最后由机器人按预先确定的手术方案完成指定的辅助手术操作可靠性越来越强在发达国家已经出现医疗外科手术机器人市场化产品，并在临床上开展了大量的病例应用研究美国开发的系列产品已分别用于辅助矫形手术和无框架的立 体定向脑外科手术中ComputerMotion公司开发的微创手术机器人包括三个子系统，实现了胸腔、腹腔、心脏等微创手术的遥操作其中 ZEUS系统由三只置于手术床上的交互性机械臂、计算机控制器及医生控制台组成手术时，医生坐在控制台前，观察手术情况的二维或三维显示，用语音指示控制内窥镜，并通过仿医疗手术器械的操作手柄来控制手术仪器其中一只机械臂采用声控的交互方式控制内窥镜，另外两只机械臂在医生的控制下操作手术器械IntuitiveSurgical公司的daVinci系统具有和ZEUS相似的功能，已获得欧洲CE认证和美国FDA认证，是世界上首套可以正式在医院手术室腹腔手术中使用的医用机器人手术器械。

该系统的构成包括一台三维视像系统的外科医生控制台、三支可定位及精确地操控内窥镜的机械臂、内窥镜抓持手等设备手术中，医生坐在控制台前，通过观察计算机画面上被放大20倍的病人体内组织的三维影像，操作控制杆来完成手术，并可模拟医生的手部动作抓持手是仿照人类手腕设计的机械手，可转动，能够做抛掷、摆动、紧握等动作机械手配有特制的手术器械，可以使医生从1厘米的切口进入病人体内进行手术我国从20世纪90年代中期开始医疗外科机器人的应用研究，一些医院相继采用国外的机器人进行微小创伤等系列手术，如心脏动脉搭桥、瓣膜替换等手术北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学等也开展了医疗机器人的研究比较国内和国外现状可以看出， 国内医疗外科机器人的研究规模和范围小，机器人功能相对简单，能够执行的手术种类少，临床试验少在推广方面尚未形成商业化运作的产品，无法满足不同医院、不同科室的特殊需求在政策方面，缺少跨学科研究激励机制，缺乏科研机构、医院和产业界的密切合作，从而影响了医疗外科机器人的研究开发和产业化由北京航空航天大学、清华大学和解放军海军总医院合作开发的机器人辅助无框架脑外科立体定向手术系统开创了国内自主开发医疗外科机器人的先河。

该系统至今已成功完成多例临床手术，获得病人和医生的认可脑部的常规手术，先要在病人头上戴一个金属框架，以起到固定和定位作用为此，要在病人颅骨周围用4个螺钉固定框架， 病人要带着框架到CT室进行扫描，带着框架接受手术，病人很痛苦 医生仅能根据CT扫描图像凭经验来考虑手术方位，并从框架标尺上读取靶点的三维坐标，操作繁琐费时手术时有框架的影响，部分位置无法下穿刺针，会造成手术死角使用医疗外科机器人，医生术前只要将4个标志贴在病人的头部，病人不必戴框架与常规手术不同的是，医生要用CT扫描出多张脑部图像，这些图像要输入电脑合成为三维立体图像基于虚拟现实技术，在电脑上，医生可以任意选择观察病灶的方向，并可借助键盘和鼠标操作模拟穿刺针进针方位，在术前就可以进行充分的手术方案分析对比，最终选择出最佳方案在手术进行时，病人头部固定后，用机械臂点取病人头部的4个标志点，进行图像空间与手术操作空间的简易映射，即在电脑中建立对等的脑部位置三维图形手术中，医生移动机械臂，计算机屏幕上便可实时显示出穿刺针的进针方位同时，机械臂还是医生的手术操作平台，依靠机械臂末端的导航器与实时显示 在电脑屏幕上的监测图像，医生可以把穿刺针毫厘不差的刺入病灶中心，病人头部仅留下一个直径5毫米的小孔。

创伤越来越小机器人辅助立体定向外科手术系统操作精度高，定位准确，误差小于1.5毫米如依靠机器人施行脑手术，病人始终处于清醒状态下，半小时左右手术即完成术后3到5天，大部分病人就可走出医院，实现了微创伤，缩短了病人术后恢复时间，手术成功率高而常规脑外科手术则存在术中流血多、易误伤正常脑组织、创口愈合慢及术后感染等问题，从而易造成神经损伤，甚至危及生命机器人辅助立体定向外科手术系统可以最大限度利用现有技术，提高疾病的诊断和手术治疗的质量，拓宽手术治疗的范围，在机器人的支持下使原来无法进行的手术能够进行这不仅能实现微创伤，缩短病人术后恢复时间，还可提高手术可视化程度和手术安全性同时，这样还能减少手术中使用的放射性设备或药品对医生的伤害，缩短手术时间，降低医疗成本人们开展医疗外科机器人方面的研究，不仅会在手术精确定位、手术最小创伤、手术质量等方面将带来一系列的技术变革，而且将改变常规外科的许多概念， 会对新一代手术设备的开发与研制，对人工假体的设计，对医学的教学与研究，对临床或家庭的护理及康复工程等方面的发展产生深远的影响它还会对智能机器人、计算机虚拟现实、微机械电子学等相关学科的理论与技术发展产生积极的推动作用。

随着这项技术的不断发展，越来越多的手术禁区将被打破，越来越多的疾病会得到有效的医疗应用越来越广随着计算机和机器人技术的不断进步，将有越来越多的新技术应用在医学领域现在，许多工程技术专家正在致力于虚拟临场手术技术。