機械設計制造及自動化專業(yè)外文翻譯--外科手術機器人的現(xiàn)狀臨床應用和技術挑戰(zhàn)

1、<p>　　中文5454字 </p><p>　　畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯</p><p>　　學院（系）： 機械工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： 機械設計制造及自動化 </p><p>　　姓 名：

2、 </p><p>　　學 號： </p><p>　　外文出處：Computer Aided Surgery, November 2001</p><p>　　附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p>　　注：請

3、將該封面與附件裝訂成冊。</p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　外科手術機器人的現(xiàn)狀：臨床應用和技術挑戰(zhàn)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　從第一個用于外科手術的機器人被記錄以來，15年已經(jīng)過去了。而醫(yī)用機器人還沒有出現(xiàn)大規(guī)模使用的情況，盡管在提高醫(yī)用能力和手術精度

4、方面還有很大的潛力，但臨床使用的機器人還比較少。在這個調(diào)查報告中，我們以對醫(yī)用機器人的發(fā)展史的簡要回顧為開端，接下來是對機器人在臨床使用情況的一個概述，然后是對于臨床應用的討論，這里包括了神經(jīng)外科，整形外科，泌尿科，面部整形外科,放射外科，眼科和心臟外科手術。我們將關于醫(yī)用機器人的技術挑戰(zhàn)和研究領域總結(jié)成一張表, 包括系統(tǒng)構(gòu)建，軟件設計,機構(gòu)的設計,圖像系統(tǒng)，使用者接口和安全協(xié)題等幾部分。</p><p><

5、;b>　　關鍵字</b></p><p>　　醫(yī)用機器人,回顧文章，技術挑戰(zhàn)，神經(jīng)外科，整形外科,泌尿科，面部整形外科放射外科 ，眼科，心臟外科</p><p><b>　　1.0 介紹</b></p><p>　　醫(yī)用機器人在提高外科醫(yī)生的手術能力和手術精度方面存在著極大的潛力，而我們對于醫(yī)用機器人的應用僅僅處于起步階段

6、，關于它的實用性、安全性、費用等問題也擺在了我們的面前，盡管有許多商業(yè)公司賣出了一些醫(yī)用機器人，但總的裝備數(shù)量還很少，市場仍然保持著緩慢增長的趨勢。不象工業(yè)機器人領域，在70年代到80年代增長迅速，醫(yī)用機器人還沒有達到大的使用規(guī)模。然而，可以堅信，醫(yī)用機器人的在醫(yī)療領域的優(yōu)勢將明顯顯現(xiàn)出來，這將使它在醫(yī)療上的使用持續(xù)增加。</p><p>　　依照美國機器人學會的定義：一個機器人就是“一種自動的位置可控的具有可編

7、程能力的多功能機械手，這種機械手有幾個關節(jié)，它能夠借助于可編程程序操作。成搬運物料、零件工具或特定裝置，以執(zhí)行各種任務?！?一說到機器人我們也許會聯(lián)想到電影“星球大戰(zhàn)”中的R2D2，在這篇論文中我們將要遵守上面的定義。通過各個關節(jié)交替連接，機器人構(gòu)成了一個緊密聯(lián)系的鏈，這使機器人能夠從一環(huán)到另一環(huán)完成各種相關的運動[1]。機械手位于整個環(huán)節(jié)的末端，通常作為末端執(zhí)行器，機器人被一個電腦系統(tǒng)控制，電腦系統(tǒng)控制末端執(zhí)行器到達它的運動空間內(nèi)的相

8、應位置點和方向。</p><p>　　這篇調(diào)察文章將點明醫(yī)療機器人的現(xiàn)狀通過幾個臨床的實例，在這篇文章中，我們著重講述機器人在外科手術中所扮演的角色，外科機器人系統(tǒng)并不意味著會代替醫(yī)生，而是為了加強醫(yī)師的手術能力，也有其他方面的醫(yī)用機器人，如康復機器人和縮微機器人，但在這里我們就不在贅述了。這篇文章并不是包羅萬象的，而是對于這個領域作了一個概述，而將論述重點放在醫(yī)療機器人的歷史的發(fā)展和現(xiàn)代工作上。</p&g

9、t;<p>　　關于醫(yī)用機器人手術過程的其他幾篇文章也已經(jīng)被完成了，如：Davies[2]講述了醫(yī)療機器人的發(fā)展史并對研究者研究出的機器人按類型進行了分類，Taylor[3]分析了醫(yī)療機器人的分類方法并發(fā)表了自己的分類方法，Troccaz[4]講述了機器人的發(fā)展史，描述了被動的、半自動的、全自動的機器人系統(tǒng)，Howe[5]介紹了在整形外科、神經(jīng)外科和其他手術中圖像處理的運用，特殊的觀點也是存在的，例如Caddedu[6]的

10、泌尿科機器人。</p><p>　　本論文是按下面的次序進行的：第二段是簡要的歷史概述，接下來第三段是臨床應用情況的表格，表格中的應用情況在后面進行了敘述，第四段是研究情況和技術挑戰(zhàn)，第五段給出了結(jié)論。，</p><p>　　2.0 歷史概述</p><p>　　醫(yī)用機器人是一個相對年輕的領域，醫(yī)療機器人的使用的第一個記錄出現(xiàn)在1985年[7]，在這個手術中機器

11、人僅是一個簡單的定位裝置，指引探針為大腦進行活體檢查，一個 52 歲的男人被放在一張 CT 掃描儀上,目標在 CT 圖像上被識別，并且機器人指引一個導向的管子，一根探針將要從管子中插入，不完美的是被使用的機器人是PUMA560工業(yè)機器人，考慮到機器人手術在接近人的時候的安全問題，這個項目沒有繼續(xù)下去。</p><p>　　不久之后，歐洲、亞洲、美國的研究小組也開始對機器人在醫(yī)療方面的應用進行調(diào)查。在歐洲，倫敦Im

12、perial學院的一個研究小組在Davies的指導下開始開發(fā)在前列腺方面的機器人[8]， 法國的Grenoble大學的醫(yī)院的Benabid, Lavallee和他們的同事也開始在神經(jīng)外科手術，例如活體檢視方面的研究，在亞洲，東京大學的Dohi發(fā)展了一個CT引導的探針插入操作者的原型[10].在美國，泰勒和在IBM的同事也開始開發(fā)后來名為ROBODOC的系統(tǒng)[11]。</p><p>　　最近，有幾家商業(yè)公司和一些

13、實驗室在醫(yī)療機器人領域展開了積極的工作，近期的努力已經(jīng)制造出了商業(yè)產(chǎn)品，例如Grenoble大學的醫(yī)院研制的合成外科機器人系統(tǒng)NeuroMate。</p><p>　　3.0 臨床應用</p><p>　　在醫(yī)學上有幾種方式區(qū)別機器人的使用，例如Taylor發(fā)明的區(qū)別方法就是通過機器人在醫(yī)療手術中所扮演的角色來區(qū)分，Taylor強調(diào)機器人作為與醫(yī)師協(xié)調(diào)合作的工具實現(xiàn)了對外科手術的干預，

14、他把這個系統(tǒng)分為五個層次：</p><p><b>　　1.器械輔助系統(tǒng)</b></p><p><b>　　2.手術通訊系統(tǒng)</b></p><p><b>　　3.導向輔助系統(tǒng)</b></p><p><b>　　4.精確定位系統(tǒng)</b></p&

15、gt;<p><b>　　5.信息處理系統(tǒng)</b></p><p>　　盡管這種分類方法被用作為技術指導，在這篇論文中，我們選擇根據(jù)臨床應用情況來對機器人進行劃分，按應用情況進行劃分對使用者更有吸引力，表1是關于醫(yī)療機器人已經(jīng)應用的7個領域的一張表，這張表并不意味著什么，但從這個領域中選擇的有代表性的研究小組和投資機構(gòu)給讀者關于這個領域一個概括的論述，“研究對象”一欄主要涉及是

16、以人為實驗對象，還是以動物、尸體或其他物體為研究對象。</p><p>　　表1：臨床領域的應用有代表性的機器人開發(fā)</p><p>　　3.1 神經(jīng)外科</p><p>　　在歷史回顧中，這部分已經(jīng)被講述過，神經(jīng)外科是機器人最先應得到臨床應用的，仍然是當今比較令人感興趣的科研課題，神經(jīng)外科立體手術機器人的應用需要空間位置正確率和精確度，以保證使不必要傷害減少到

17、最低的情況下，達到手術的目的。這個階段有三個有代表性的機器人系統(tǒng)：</p><p>　　瑞士Lausanne大學的Minerva系統(tǒng)</p><p>　　2. 美國集成醫(yī)療系統(tǒng)的NeuroMate系統(tǒng)</p><p>　　日本的Dohi和同事開發(fā)的MRI并立機器人系統(tǒng)</p><p><b>　　Minerva</b>

18、</p><p>　　醫(yī)用外科機器人Minerva系統(tǒng)是為實現(xiàn)精確的探針定位而研制的最早的機器人系統(tǒng)之一，它是為了立體的腦組織手術而進行設計的，它被限于CT掃描時工作，它被設計的目的是保證在連續(xù)的 CT 掃描時外科醫(yī)生能夠跟蹤工具的位置。</p><p><b>　　NeuroMate</b></p><p>　　The NeuroMate是一

19、個用于外科手術的六自由度機器人，它的開發(fā)工作是由法國Grenoble大學醫(yī)院的Benabid, Lavallee,和他們的同事完成的，為了滿足立體手術的需要和解決對安全問題的關注，原系統(tǒng)接下來又被二次開發(fā)。</p><p>　　3.1.3 MRI compatible robot</p><p>　　這個機器人很好的滿足了定位誤差小于3.3毫米的設計要求，該單元足夠小巧，最大高度49

20、1毫米，適合于直徑600毫米的MRI工作臺。3</p><p>　　3.2 整形外科</p><p>　　整形外科也較早的使用了機器人，在1992年它最先被用于臀部的修復手術。它的代表是ROBODOC系統(tǒng)。</p><p>　　3.3 泌尿科</p><p>　　主要用于泌尿系統(tǒng)的手術，主要代表是Imperial學院1998年設計

21、的機器人。</p><p>　　機器人還在眼科，面部整形，放射療法，心臟外科等方面得到了十分廣泛的應用，這些在前面的列表中都已做了具體的說明。（注：由于本文過長，所以我將與課題無緊密聯(lián)系的幾種機器人的介紹和所有的圖片信息刪去了，特此說明）</p><p>　　4.0 技術挑戰(zhàn)/研究領域</p><p>　　雖然許多的不同臨床的領域正在被探究如第 3 節(jié)所記錄,那

22、醫(yī)療機器人領域的研究還在它的幼年時期，而且我們剛好在這一個時代的開始。只有很少一些商業(yè)公司存在，而且醫(yī)療機器人每年的銷售數(shù)字還比較少，部份的理由是醫(yī)學的環(huán)境是非常復雜的和新技術的介紹很困難。 除此之外,一個醫(yī)療機器人工程的完成需要工程師和臨床醫(yī)生之間有良好的合作關系，但這種關系是不容易建立的。</p><p>　　醫(yī)療機器人研究的技術挑戰(zhàn)和研究區(qū)域總體上說包括系統(tǒng)部件的開發(fā)和系統(tǒng)開發(fā),對于系統(tǒng)部件,研究主要包括以

23、下幾個方面:</p><p><b>　　系統(tǒng)的構(gòu)建</b></p><p><b>　　軟件的設計</b></p><p><b>　　機構(gòu)設計</b></p><p><b>　　圖象接口設計</b></p><p><b

24、>　　操作界面</b></p><p><b>　　安全問題</b></p><p>　?。?/24/2002 機器人調(diào)查: Cleary/ Nguyen 第 21頁）</p><p>　　對于醫(yī)療機器人系統(tǒng)來說,測試平臺的開發(fā)是推動該領域發(fā)展的關鍵,這些測試平臺還可以用來加強工程師和醫(yī)師之間的交流,然而至少在美國這些平臺是很

25、難得到開發(fā)資金的,像NIH和NSF等政府資金管理機構(gòu)很難為這些項目提供資金就如同它們很少調(diào)整向基礎研究提供資金一樣,而更不用說應用研究和開發(fā)了.</p><p>　　制造業(yè)者也不是很感興趣，因為醫(yī)用機器人的投資的環(huán)境和投資回報還不確定，</p><p>　　盡管一些系統(tǒng)已經(jīng)被食品藥物管理局核準，醫(yī)用機器人的規(guī)范劃問題還沒有完全被探究，這些因素仍然阻礙這個領域的發(fā)展，在下面的文章中，我將對上

26、面列出的六個系統(tǒng)組成部分進行簡要的論述。</p><p>　　4.1 系統(tǒng)的構(gòu)建</p><p>　　隨著醫(yī)用機器人這個領域的不斷發(fā)展，隨著開發(fā)原形系統(tǒng)的費用和困難的降低，構(gòu)建一個機器人系統(tǒng)是一個可行的步驟，正如Taylor在Steady-Hand機器人的設計中所強調(diào)的那樣，系統(tǒng)構(gòu)建應該強調(diào)模塊化，尤其是機械設計，電控系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)的模塊化，模塊化的設計方法在Stoianovici[3

27、7]的泌尿科機器人實驗室也被提出過，在這里為了一些精密的手術，許多機械模塊被開發(fā)。</p><p><b>　　軟件設計</b></p><p>　　可能包括一個實時控制系統(tǒng)的用于醫(yī)療機器人的軟件環(huán)境的發(fā)展是一個重要的挑戰(zhàn)，許多開發(fā)醫(yī)用機器人系統(tǒng)的研究者市場上銷售的軟件包作為他們開發(fā)的軟件的基礎，這種做法也許并不適合醫(yī)療機器人的開發(fā)。然而這些軟件包低廉的價格和廣泛的通

28、用性使它們極有吸引力，并且它們的很多程序（例如看門狗定時器,支持系統(tǒng), 和錯誤恢復程序）使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但是可以堅信隨著上面提到的系統(tǒng)的構(gòu)建，一個適合于機械環(huán)境的健康的軟件環(huán)境將會做出實質(zhì)性的貢獻，然而對于不同的外科手術，這些軟件環(huán)境仍然要根據(jù)需要進行修改，研究者應該對于他們未來的工作有初步的認識。</p><p><b>　　機構(gòu)設計</b></p><p>　　除

29、了好的軟件設計，精巧的機構(gòu)設計也會提高機器人在手術過程中的實用性，正如上文中的歷史回顧描述的那樣，第一個被記錄的醫(yī)療機器人運用是對腦組織進行手術，使用的是工業(yè)機器人PUMA，當一些研究者提起工業(yè)機器人用于醫(yī)療手術時，作者和其他研究者都認為專用的機構(gòu)設計將更有利于它的應用(見2/24/2002 機器人調(diào)查: Cleary/Nguyen 第22頁)。尤其是，這些設計應是更安全的，因為它是為醫(yī)療環(huán)境專門設計并且滿足不同醫(yī)療手術的需要，在本文中

30、新穎的機構(gòu)設計的代表包括Probot [18]和Steady-Hand robot [22]，然而我們也應該承認，專用機構(gòu)的設計將不會達到通用機構(gòu)那樣的經(jīng)濟效益，另一個解決方法是設計具有專用末端執(zhí)行器通用機構(gòu)。</p><p>　　4.4 圖象接口系統(tǒng)</p><p>　　隨著圖象引導手段的逐漸流行，要求機器人在各種圖象形式限制的范圍內(nèi)，例如：CT和MRI，能夠正常工作，而這些系統(tǒng)大部

31、分在醫(yī)生的直接控制之下。在未來，系統(tǒng)將會將加強同這些圖象形式的聯(lián)系。本文也對一些系統(tǒng)進行了介紹，如以MRI為接口的Masamune系統(tǒng) [15]和與CT融合的Minerva 系統(tǒng)[13]。</p><p><b>　　操作界面</b></p><p>　　一個在所有的醫(yī)用機器人系統(tǒng)的發(fā)展中發(fā)生的問題就是操作界面的問題，作為醫(yī)用機器人什么樣的操作界面是合適的呢？機器人是

32、應該被給一個程序命令還是一個聲音然后才執(zhí)行它的任務呢？用手柄或用鍵盤作為媒介哪個合適？或者醫(yī)生直接操作機器人工具更合適嗎？力的反饋需要高精度的操作界面嗎？這就是機器人組織未來需要調(diào)查的所有問題，根據(jù)機器人設計所要求完成的任務不同，答案也會有所差別，如果醫(yī)生認為手術是在控制之中，至少最初看起來醫(yī)療機器人是可以被醫(yī)生更多的接受的。</p><p><b>　　安全問題</b></p>

33、<p>　　安全是機器人醫(yī)療系統(tǒng)中最受關注的問題，這也是推動機器人發(fā)展必須被提及的一個領域，安全問題已經(jīng)被Davies[47]、Elder和Knight [48]討論了，根據(jù)Davies的看法，和工業(yè)機器人比較，醫(yī)用機器人是完全不同的使用情況，因為醫(yī)療機器人必須與人協(xié)作才能完全發(fā)揮效用。因此，恰當?shù)陌踩綉摫欢x，并被機器人組織詳細的討論，能夠采取的安全措施備用傳感器的使用，能夠適應即將到來的任務的專用機器人的設計，自

34、動補償技術的使用，以便于如果機器人操作失敗，它仍可以被移動，并通過手工操作來完成。對于醫(yī)療機器人來說，另一個安全問題是需要對手術室和參加手術人和機械進行消毒和傳染物控制。（2/24/2002 機器人調(diào)查: Cleary/Nguyen 第23頁）</p><p>　　Davies提出了一個等級制度為外科手術工具的使用者，從手持工具到全自動機器人，他把工具進行了排序。隨著等級向自動機器人的靠近，手術被控制的也就越來越

35、少，并且更依賴于機器人的機構(gòu)和系統(tǒng)軟件。Davies表示直到自動化的水平達到安全保證可以接受的水平，并就這個水平達成一致的協(xié)議，醫(yī)療器械制造商才可能逐漸開始開發(fā)醫(yī)用機器人系統(tǒng)。盡管機構(gòu)的約束是保證安全的一種好的方式，但程序上的約束盡管天生就有不安全的因素，卻更加靈活。為了有效限制可能的活動范圍[4, 46]，四種模式可以被采用，自由模式,位置模式，軌道模式和區(qū)域模式。舉個例子，區(qū)域模式尤其適合切除手術，如全膝替換手術，在這個手術中，手術

36、工具被預先安排在一個定義好的區(qū)域中。這個模式在培養(yǎng)居民和鄰里的關系時也有很大的價值。</p><p><b>　　5.0 結(jié)論</b></p><p>　　這篇論文反映了醫(yī)用機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，幾種原形機器人系統(tǒng)和商業(yè)機器人系統(tǒng)都在文章中得到了介紹，討論了技術上的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向，為醫(yī)用機器人的使用提出了希望。</p><p>　　我們僅

37、僅處于醫(yī)療機器人應用的初級階段，很多工作還等待我們?nèi)プ?，尤其是為了滿足不同醫(yī)療手術的需要更多的測試平臺等待開發(fā)，以便于獲得技術經(jīng)驗和它怎樣融入臨床實踐的經(jīng)驗，費用、安全性和病人的反應也是需要考慮的，盡管已經(jīng)有了一些在市場上取得成功的醫(yī)療機器人，如ROBODOC 和 da Vinci，但它們還沒有完全被醫(yī)學界所接受。</p><p>　　也許直到完全兼容的系統(tǒng)被開發(fā)出來后，醫(yī)療機器人的優(yōu)勢才可以顯現(xiàn)出來，在現(xiàn)在的醫(yī)

38、學領域里，機器人直接和想象模式聯(lián)系起來或者和病人的解剖聯(lián)系在一起，這些聯(lián)系將點明機器人潛在的優(yōu)點之所在，例如可以跟隨呼吸器官的運動,，并且使醫(yī)生成功的完成手術，而這在今天只是一種想象。</p><p><b>　　6.0 致謝</b></p><p>　　作者對Sumiyo Onda為了這份手稿在搜集和整理時資料提供的幫助表示感謝，這次工作得到了美國軍方的贊助，批

39、號DAMD17-96-2-6004和DAMD17-99-1-9022，本文的內(nèi)容并不反映美國政府的立場和政策。</p><p><b>　　附件2：外文原文</b></p><p>　　State of the Art in Surgical Robotics:</p><p>　　Clinical Applications and Techn

40、ology Challenges</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　While it has been over 15 years since the first recorded use of a robot for a surgical</p><p>　　procedure, the field o

41、f medical robotics is still an emerging one that has not yet reached a</p><p>　　critical mass. While robots have the potential to improve the precision and capabilities of</p><p>　　physicians, t

42、he number of robots in clinical use is still very small. In this review article,</p><p>　　we begin with a short historical review of medical robotics, followed by an overview of</p><p>　　clinica

43、l applications where robots have been applied. The clinical applications are then</p><p>　　discussed, which include neurosurgery, orthopedics, urology, maxillofacial surgery,</p><p>　　radiosurge

44、ry, opthamology, and cardiac surgery. We conclude with a listing of</p><p>　　technology challenges and research areas, including system architecture, software design,</p><p>　　mechanical design,

45、 imaging compatible systems, user interface, and safety issues.</p><p><b>　　Key Words</b></p><p>　　Medical robotics, review article, technology challenges, neurosurgery, orthopedics,

46、</p><p>　　urology, maxillofacial surgery, radiosurgery, opthamology, and cardiac surgery</p><p>　　1.0 Introduction</p><p>　　Medical robotics has tremendous potential for improving t

47、he precision and capabilities of</p><p>　　physicians to perform surgical procedures. However, we are just at the beginning of the</p><p>　　application of robotics to medicine, and many questions

48、 remain open regarding</p><p>　　effectiveness, safety, and cost. While there are several commercial companies selling</p><p>　　medical robots, the total installed number is extremely small, and

49、the market will most</p><p>　　likely continue to grow slowly. Unlike the area of factory robotics, which grew rapidly</p><p>　　during the 1970s and 1980s, medical robotics has not yet reached a

50、critical mass.</p><p>　　However, it is believed the benefits of medical robotics will become increasingly clear</p><p>　　and this will lead to a continued rise in their use in medicine.</p>

51、;<p>　　According to the Robotic Institute of America, a robot is "a reprogrammable,</p><p>　　multifunctional manipulator designed to move materials, parts, tools, or other specialized</p>

52、<p>　　devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks."</p><p>　　While the term “robot” may conjure up images of R2D2 from the movie “Star Wars”, in</p>

53、<p>　　this paper we will stay with the definition above. These robots consist of nearly rigid</p><p>　　links that are connected with joints that allow relative motion from one link to another</p>

54、<p>　　[1]. Attached to the end of the links is the robot hand, usually referred to as the endeffector. The robot is controlled by a computer system that is used to move the endeffector to any desired point and orie

55、ntation within its workspace.</p><p>　　This review article highlights the state of the art of medical robotics across several</p><p>　　clinical areas. In this review, we will focus on robots tha

56、t play an active role during a</p><p>　　surgical intervention. These systems are not meant to replace the physician, but rather to</p><p>　　augment the capabilities of the physician. There are o

57、ther categories of medical robotics,</p><p>　　such as robotics for rehabilitation or miniature robots that might be placed inside the</p><p>　　body, but these will not be discussed here. This re

58、view is not intended to be</p><p>　　comprehensive, but rather to give an overview of the field, with a focus on key historical</p><p>　　developments and on current work.</p><p>　　Se

59、veral other medical robotics review articles with a focus on surgical procedures have</p><p>　　also been written. Davies [2] describes the history of surgical robotics and gives one</p><p>　　cla

60、ssification for the types of robot systems studied by researchers. Taylor [3] discusses</p><p>　　several taxonomies for surgical robotics and presents a different classification. Troccaz</p><p>

61、　　[4] gives a historical review and describes passive, semi-active, and active robotic</p><p>　　systems. Howe [5] overviews applications in image-based procedures, orthopedic</p><p>　　surgery, a

62、nd neurosurgery, among others. Specialized reviews also exist, such as the</p><p>　　article by Caddedu on urology robotics [6].</p><p>　　The paper is organized as follows. Section 2 gives a brie

63、f historical review, followed by a</p><p>　　table of clinical applications in Section 3. Each of these clinical applications is then</p><p>　　described. Section 4 presents technology challenges

64、and research areas. Conclusions are</p><p>　　given in Section 5.</p><p>　　2.0 Historical Review</p><p>　　Medical robotics is a relatively young field, with the first recorded medica

65、l application of</p><p>　　a robot occurring in 1985 [7]. In this case, the robot was a simple positioning device to</p><p>　　orient a needle for biopsy of the brain. A 52-year-old man was put on

66、 a CT scanner table,</p><p>　　the target was identified on the CT images, and the robot was used to orient a guide tube</p><p>　　through which a needle was inserted. Unfortunately, the robot use

67、d was a PUMA 560</p><p>　　industrial robot, and safety issues concerning the operation of the robot in close proximity to people prevented this work from continuing [2].</p><p>　　Shortly thereaf

68、ter, research groups in Europe, Asia, and the United States began</p><p>　　investigating medical applications of robotics. In Europe, a group at Imperial College in</p><p>　　London under the dir

69、ection of Davies began developing a robot for prostate applications</p><p>　　[8]. At Grenoble University Hospital in France, Benabid, Lavallee, and colleagues started</p><p>　　work on neurosurgi

70、cal applications such as biopsy [9]. In Asia, Dohi at Tokyo University</p><p>　　developed a prototype of a CT-guided needle insertion manipulator [10]. In the U.S.,</p><p>　　Taylor and associate

71、s at IBM began developing the system later known as ROBODOC</p><p><b>　　[11].</b></p><p>　　Currently, there are several commercial ventures and a handful of research laboratories<

72、/p><p>　　active in the field of medical robotics. These early research efforts have led to some</p><p>　　commercial products. For example, the work at Grenoble University Hospital led to the</p&

73、gt;<p>　　NeuroMate robot of Integrated Surgical Systems as described in Section 3.1.2.</p><p>　　3.0 Clinical Applications</p><p>　　There are several ways to classify the use of robots in

74、medicine. One scheme, as</p><p>　　developed by Taylor [3], is to classify robots by the role they play in medical</p><p>　　applications. Taylor stresses the role of robots as tools that can work

75、 cooperatively with</p><p>　　physicians to carry out surgical interventions and identifies five classes of systems:</p><p>　　1. Intern replacements</p><p>　　2. Telesurgical systems&

76、lt;/p><p>　　3. Navigational aids</p><p>　　4. Precise positioning systems</p><p>　　5. Precise path systems</p><p>　　While this classification is technology oriented, we hav

77、e chosen to divide the field by</p><p>　　clinical application in this paper. Clinical applications are more interesting to the enduser, and a list of seven clinical areas where robotics have been applied is

78、shown in Table</p><p>　　1. This table is not meant to be inclusive, but representative research groups and</p><p>　　commercial vendors in several areas have been selected to give the reader an o

79、verview of</p><p>　　the field. The column labeled “Studies” refers to whether human trials, animal studies,</p><p>　　cadaver studies, or other studies have been done.</p><p>　　3.1 N

80、eurosurgery</p><p>　　As mentioned in the historical review, neurosurgery was the first clinical application of</p><p>　　robotics and continues to be a topic of current interest. Neurosurgical st

81、ereotactic</p><p>　　applications require spatial accuracy and precision targeting to reach the anatomy of</p><p>　　interest while minimizing collateral damage. This section presents three neuros

82、urgical</p><p>　　robotic systems.</p><p>　　1. Minerva from the University of Lausanne in Switzerland</p><p>　　2. NeuroMate from Integrated Surgical Systems in the U.S.</p>&l

83、t;p>　　3. An MRI compatible robot developed by Dohi and colleagues in Japan</p><p>　　3.1.1 Minerva</p><p>　　One of the earliest robotic systems developed for precise needle placement was the&l

84、t;/p><p>　　neurosurgical robot Minerva [13], designed for stereotactic brain biopsy. A special</p><p>　　purpose robot was constructed which was designed to work within the CT scanner so that</p&

85、gt;<p>　　the surgeon could follow the position of the instruments on successive CT scans.</p><p>　　3.1.2 NeuroMate</p><p>　　The NeuroMate is a six-axis robot for neurosurgical application

86、s that evolved from work</p><p>　　done by Benabid, Lavallee, and colleagues at Grenoble University Hospital in France [9,</p><p>　　14, 25]. The original system was subsequently redesigned to ful

87、fill specific stereotactic</p><p>　　requirements and particular attention was paid to safety issues [26].</p><p>　　3.1.3 MRI compatible robot</p><p>　　ceramics. In phantom tests usi

88、ng watermelons, the robot performed satisfactorily with a positioning error of less than 3.3 mm from the desired target. The unit was small enough at 491 mm in maximum height to fit inside the MRI gantry of 600 mm in dia

89、meter.</p><p>　　3.2 Orthopedic</p><p>　　Orthopedics was also an early adopter of robotics, as the ROBODOC system described next was used to assist surgeons in performing part of a total hip repl

90、acement in 1992.</p><p>　　3.3 Urology</p><p>　　One of the pioneering research groups in Medical Robotics is the Mechantronics in</p><p>　　Medicine Laboratory at Imperial College in

91、London. Starting in 1988, the group began</p><p>　　developing a robotic system named the Probot to aid in transurethral resection of the</p><p>　　prostate [18].</p><p>　　4.0 Technol

92、ogy Challenges / Research Areas</p><p>　　While a number of different clinical areas are being explored as noted in Section 3, the</p><p>　　field of medical robotics is still in its infancy and w

93、e are just at the beginning of this era.</p><p>　　Only a handful of commercial companies exist and the number of medical robots sold</p><p>　　each year is very small. Part of the reason for this

94、 is that the medical environment is a</p><p>　　very complex one and the introduction of new technology is difficult. In addition, the</p><p>　　completion of a medical robotics project requires a

95、 partnership between engineers and</p><p>　　clinicians which is not easy to establish.</p><p>　　Technology challenges and research areas for medical robotics include both the</p><p>

96、;　　development of system components and the development of systems as a whole. In terms</p><p>　　of system components, research is needed in:</p><p>　　1. system architecture</p><p>

97、　　2. software design</p><p>　　3. mechanical design</p><p>　　4. imaging compatible designs</p><p>　　5. user interface</p><p><b>　　6. safety</b></p>&l

98、t;p>　　For medical robotics systems, the development of application testbeds is critical to move</p><p>　　the field forward. These testbeds can also serve to improve the dialog between engineers</p>

99、<p>　　and clinicians. However, at least in the U.S., it is difficult to get funding to develop these</p><p>　　testbeds. Governmental funding agencies such as NIH or NSF will usually not fund such</p

100、><p>　　efforts as they are geared more towards basic research rather than applied research and</p><p>　　development. Manufacturers are usually not interested because the environment and</p>

101、<p>　　investment payback for medical robotics is uncertain. The regulatory issues for medical</p><p>　　robotics have not been fully explored, although several systems have been FDA</p><p>　

102、　approved. These factors remain obstacles to advancing the field. In the following sections, each of the six system components listed above are briefly discussed.</p><p>　　4.1 System Architecture</p>

103、<p>　　For medical robotics to evolve as its own field and for the cost and difficulty of</p><p>　　developing prototype systems to decrease, the establishment of a system architecture</p><p>

104、;　　would be an enabling step. The systems architecture should emphasize modularity, as</p><p>　　noted by Taylor in the design of the Steady-Hand robot, which emphasizes modularity in</p><p>　　me

105、chanical design, control system electronics, and software [22]. A modular approach</p><p>　　has also been emphasized in the Urology Robotics laboratory of Stoianovici [37], where a number of mechanical modul

106、es have been developed for precision interventional</p><p>　　procedures.</p><p>　　4.2 Software Design</p><p>　　The development of a software environment for medical robotics, possib

107、ly including an</p><p>　　appropriate real- time operating system, is a significant challenge. Many researchers</p><p>　　developing medical robotics system base their software development on comm

108、ercially</p><p>　　available software packages that may not be suitable for the surgical environment.</p><p>　　However, the low cost and widespread availability of these software packages makes&l