医疗微型机器人学术论文参考文献

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数字化家庭是未来智能小区系统的基本单元。所谓“数字化家庭”就是基于家庭内部提供覆盖整个家庭的智能化服务，包括数据通信、家庭娱乐和信息家电控制功能。 数字化家庭设计的一项主要内容是通信功能的实现，包括家庭与外界的通信及家庭内部相关设施之间的通信。从现在的发展来看，外部的通信主要通过宽带接入。intenet，而家庭内部的通信，笔者采用目前比较具有竞争力的蓝牙(bluetootlh)无线接入技术。 传统的数字化家庭采用pc进行总体控制，缺乏人性化。笔者根据人工情感的思想设计一种配备多种外部传感器的智能机器人，将此智能机器人视作家庭成员，通过它实现对数字化家庭的控制。 本文主要就智能机器人在数字化家庭医疗保健方面的应用进行模型设计，在智能机器人与医疗仪器和控制pc的通信采用蓝牙技术。整个系统的成本较低，功能较为全面，扩展应用非常广阔，具有极大的市场潜力。2 智能机器人的总体设计 2．1 智能机器人的多传感器系统 机器人智能技术中最为重要的相关领域是机器人的多感觉系统和多传感信息的集成与融合[1]，统称为智能系统的硬件和软件部分。视觉、听觉、力觉、触觉等外部传感器和机器人各关节的内部传感器信息融合使用，可使机器人完成实时图像传输、语音识别、景物辨别、定位、自动避障、目标物探测等重要功能；给机器人加上相关的医疗模块(ccd、camera、立体麦克风、图像采集卡等)和专用医疗传感器部件，再加上医疗专家系统就可以实现医疗保健和远程医疗监护功能。智能机器人的多传感器系统框图如图1所示。 2．2 智能机器人控制系统 机器人控制系统包含2部分：一是上位机，一般采用pc，它完成机器人的运动轨迹规划、传感器信息融合控制算法、视觉处理、人机接口及远程处理等任务；二是下位机，一般采用多单片机系统或dsp等作为控制器的核心部件，完成电机伺服控制、反馈处理、图像处理、语音识别和通信接口等功能。 如果采用多单片机系统作为下位机，每个处理器完成单一任务，通过信息交换和相互协调完成总体系统功能，但其在信号处理能力上明显有所欠缺。由于dsp擅长对信号的处理，而且对此智能机器人来说经常需要信号处理、图像处理和语音识别，所以采用dsp作为智能机器人控制系统的控制器[2]。 控制系统以dsp(tms320c54x)为核心部件，由蓝牙无线通信、gsm无线通信(支持gprs)、电机驱动、数字罗盘、感觉功能传感器(视觉和听觉等)、医疗传感器和多选一串口通信(rs-232)模块等组成，控制系统框图如图2所示。 (1)系统通过驱动电机和转向电机控制机器人的运动，转向电机利用数字罗盘的信息作为反馈量进行pid控制。 (2)采用爱立信(ericsson)公司的rokl01007型电路作为蓝牙无线通信模块，实现智能机器人与上位机pc的通信和与其他基于蓝牙模块的医疗保健仪器的通信。 (3)支持gprs的gsm无线通信模块支持数据、语音、短信息和传真服务，采用手机通信方式与远端医疗监控中心通信。 (4)由于tms320c54x只有1个串行口，而蓝牙模块、gsm无线模块、数字罗盘和视觉听觉等感觉功能传感器模块都是采用rs一232异步串行通信，所以必须设计1个多选一串口通信模块进行转换处理。当tms320c54x需要蓝牙无线通信模块的数据时通过电路选通；当t~ms320c54x需要某个传感器模块的数据时，关断上次无线通信模块的选通，同时选通该次传感器模块。这样，各个模块就完成了与1~ms320c54x的串口通信。3 主要医疗保健功能的实现 智能机器人对于数字化家庭的医疗保健可以提供如下的服务： (1)医疗监护 通过集成有蓝牙模块的医疗传感器对家庭成员的主要生理参数如心电、血压、体温、呼吸和血氧饱和度等进行实时检测，通过机器人的处理系统提供本地结果。 (2)远程诊断和会诊 通过机器人的视觉和听觉等感觉功能，将采集的视频、音频等数据结合各项生理参数数据传给远程医疗中心，由医疗中心的专家进行远程监控，结合医疗专家系统对家庭成员的健康状况进行会诊，即提供望(视频)、闻、问(音频)、切(各项生理参数)的服务[3]。 3．1机器人视觉与视频信号的传输 机器人采集的视频信号有2种作用：提供机器人视觉；将采集到的家庭成员的静态图像和动态画面传给远程医疗中心。 机器人视觉的作用是从3维环境图像中获得所需的信息并构造出环境对象的明确而有意义的描述。视觉包括3个过程： (1)图像获取。通过视觉传感器(立体影像的ccd camera)将3维环境图像转换为电信号。 (2)图像处理。图像到图像的变换，如特征提取。 (3)图像理解。在处理的基础上给出环境描述。 通过视频信号的传输，远程医疗中心的医生可以实时了解家庭成员的身体状况和精神状态。智能机器人根据医生的需要捕捉适合医疗保健和诊断需求的图像，有选择地传输高分辨率和低分辨率的图像。在医疗保健的过程中，对于图像传送有2种不同条件的需求： (1)医生观察家庭成员的皮肤、嘴唇、舌面、指甲和面部表情的颜色时，需要传送静态高清晰度彩色图像；采用的方法是间隔一段时间(例如5分钟)传送1幅高清晰度静态图像。 (2)医生借助动态画面查看家庭成员的身体移动能力时，可以传送分辨率较低和尺寸较小的图像，采用的方法是进行合理的压缩和恢复以保证实时性。 3．2机器人听觉与音频信号的传输 机器人采集的音频信号也有2种作用：一是提供机器人听觉；二是借助于音频信号，家庭成员可以和医生进行沟通，医生可以了解家庭成员的健康状况和心态。音频信号的传输为医生对家庭成员进行医疗保健提供了语言交流的途径。 机器人听觉是语音识别技术，医疗保健智能机器人带有各种声交互系统，能够按照家庭成员的命令进行医疗测试和监护，还可以按照家庭成员的命令做家务、控制数字化家电和照看病人等。 声音的获取采用多个立体麦克风。由于声音的频率范围大约是300hz一3400hz，过高或过低频率的声音在一般情况下是不需要传输的，所以只用传送频率范围在1000hz-3000hz的声音，医生和家庭成员就可以进行正常的交流，从而可以降低传输音频信号所占用的带宽，再采用合适的通信音频压缩协议即可满足实时音频的要求。智能机器人的听觉系统如图3所示。3．3各项生理信息的采集与传输 传统检测设备通过有线方式连到人体上进行生理信息的采集，各种连线容易使病人心情紧张，从而导致检测到的数据不准确。使用蓝牙技术可以很好地解决这个问题，带有蓝牙模块的医疗微型传感器安置在家庭成员身上，尽量使其不对人体正常活动产生干扰，再通过蓝牙技术将采集的数据传输到接收设备并对其进行处理。 在智能机器人上安装1个带有蓝牙模块的探测器作为接收设备，各种医疗传感器将采集到的生理信息数据通过蓝牙模块传输到探测器，探测器有2种工作方式：一是将数据交给智能机器人处理，提供本地结果；二是与internet连接(也可以通过gsm无线模块直接发回)，通过将数据传输到远程医疗中心，达到医疗保健与远程监护的目的。视频和音频数据的传输也采用这种方式。智能机器人的数据传输系统如图4所示。 4 蓝牙模块的应用 4．1蓝牙技术概况 蓝牙技术[4]是用于替代电缆或连线的短距离无线通信技术。它的载波选用全球公用的2．4ghz(实际射频通道为f=2402 k×1mhz，k=0，1，2，…，78)ism频带，并采用跳频方式来扩展频带，跳频速率为1600跳/s。可得到79个1mhz带宽的信道。蓝牙设备采用gfsk调制技术，通信速率为1mbit/s，实际有效速率最高可达721kbit/s，通信距离为10m，发射功率为1mw；当发射功率为100mw时，通信距离可达100m，可以满足数字化家庭的需要。 4．2蓝牙模块 rokl01007型蓝牙模块[5]是爱立信公司推出的适合于短距离通信的无线基带模块。它的集成度高、功耗小(射频功率为1mw)，支持所有的蓝牙协议，可嵌入任何需要蓝牙功能的设备中。该模块包括基带控制器、无线收发器、闪存、电源管理模块和时钟5个功能模块，可提供高至hci(主机控制接口)层的功能。单个蓝牙模块的结构如图5所示。 4．3主，从设备硬件组成 蓝牙技术支持点到点ppp(point-t0-point pro-tocol)和点对多点的通信，用无线方式将若干蓝牙设备连接成1个微微网[6]。每个微微网由1个主设备(master)和若干个从设备(slave)组成，从设备最多为7台。主设备负责通信协议的动作，mac地址用3位来表示，即在1个微微网内可寻址8个设备(互联的设备数量实际是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8个，其中1个为主，7个为从)。从设备受控于主设备。所有设备单元均采用同一跳频序列。 将带有蓝牙模块的微型医疗传感器作为从设备，将智能机器人上的带有蓝牙模块的探测器作为主设备。主从设备的硬件主要包括天线单元、功率放大模块、蓝牙模块、嵌入式微处理器系统、接口电路及一些辅助电路。主设备是整个蓝牙的核心部分，要完成各种不同通信协议之间的转换和信息共享，以及同外部通信之间的数据交换功能，同时还负责对各个从设备的管理和控制。 5 结束语 随着社会的进步，经济的发展和人民生活水平的提高，越来越多的人需要家庭医疗保健服务。文中提出的应用于数字化家庭医疗保健服务的智能机器人系统的功能较为全面，且在家用智能机器人、基于蓝牙技术的智能家居和数字化医院等方面的拓展应用非常广阔，具有极大的市场潜力。 更多论文请到文秘杂烩网 采纳哦

医疗机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一，其发展前景非常看好。近年来，医疗机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注，研究工作蓬勃兴起。二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划(IARP)已召开过多届医疗外科机器人研讨会DARPA己经立项，开展基于遥控操作的外科研究，用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一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。随着科学技术的发展, 特别是计算机技术的发展, 医用机器人在临床中的作用越来越受到人们的重视。外科手术辅助导航系统作为外科医生的第三只眼, 可以让手术医师看到手术部位的内部结构, 避免了因医生经验不足而造成的手术失误, 使手术更安全、更可靠、更精确、更科学, 具有极其广阔的应用前景。现在, 它已经成功地应用到神经外科、整形外科、泌尿科、脊椎、耳鼻喉科、眼科、膝关节切除以及腹腔镜等众多领域中。由此, 依靠医学成像、微装置、传感器、计算机和机械手等的辅助, 从一个开放的、完全的人工手术到辅助医生进行最小侵入性手术。另外, 医生在选择最佳的手术路径、执行复杂的外科手术和提高手术的成功率等方面也受益匪浅。微创外科手术(MIS)技术兴起于20世纪80年代,一般也称为介入式手术。它借助于各种视觉图像设备和先进灵巧的手术器械装备,将手术器械经过小切口进入人体进行治疗或诊断。与传统开放性手术相比,微创手术具有创伤小,可减轻患者痛苦、术后恢复快、有利于提高手术质量和降低医疗社会成本等诸多优点。因此,受到医生和患者的普遍欢迎,是外科手术发展的必然趋势。腹腔镜微创外科手术作为微创手术的代表,是对传统开放性手术的一次重大变革。然而腹腔镜手术在手术中也存在一些问题。如由医生在手术台前操作器械进行手术时,医生的手与所操作的器械末端的距离一般有400～500mm,长时间准确把握手术器械会使医生感到非常 疲劳,另外,由于医生手部的颤抖而传递到器械末端的误差也会随之增大。而利用机器人技术就可以很好的解决上述问题。因为机器人具有定位准确、大大减低工作强度等优势,而且,它还可以通过软件编程实现消颤、提高手术精度。微创外科手术机器人与传统的工业机器人在结构上相比,系统针对性更强,通常一种结构只适用于一种手术操作。对于主从式机器人,在手术中,手术医生的决策通过主手传递到从手,通过监视从手的运动情况,调整或修正控制以达到预期的结果,实现微创手术。由于从手系统直接作用于患者,它的性能高低直接影响整个系统的性能、手术的质量、以及系统的安全性等等。随着计算机技术的不断发展, 微型计算机无论从计算速度还是从内存容量上都可以满足手术导航系统的要求。在我国, 开发基于微型计算机的小型化、低成本、高精度的手术导航系统将是一个发展趋势。1、 文献综述3.1 医疗机器人与其它机器人相比，医疗机器人具有以下几个特点：①其作业环境一般在医院、街道、家庭及非特定的多种场合，具有移动性与导航、识别及规避能力，以及智能化的人机交互界面。在需要人工控制的情况下，还要具备远程控制能力。②医疗机器人的作业对象是人、人体信息及相关医疗器械，需要综合工程、医学、生物、药物及社会学等各个学科领域的知识开展研究课题。③医疗机器人的材料选择和结构设计必须以易消毒和灭菌为前提，安全可靠且无辐射。④以人作为作业对象的医疗机器人，其性能必须满足对状况变化的适应性、对作业的柔软性，对危险的安全性以及对人体和精神的适应性等。⑤医疗机器人之间及医疗机器人和医疗器械之间具有或预留通用的对接接口，包括信息通讯接口、人机交互接口、临床辅助器材接口以及伤病员转运接口等。从技术上讲医疗机器人的发展是建立在以下几种基本技术的基础上：它们是机械设计与制造技术、传感器应用技术、自动控制技术、驱动器技术、人机交互技术。根据用途医疗机器人大致可以分为救援机器人、手术机器人、转运机器人和康复机器人。手术机器人在具备了机器人的基本特点同时，还有其自身的选位准确、动作精细、避免病人感染等特点。在血管缝合手术时，人工很难进行细于1 mm以下的血管缝合，如果使用手术机器人，血管缝合手术可以达到小于0.1 mm的精度；用手术机器人进行手术避免了医生直接接触患者的血液，大大减少了患者的感染危险。商业化的手术机器人最早出现在1994年，由美国Computer Motion公司研制，实质上是一种声控腹腔镜自动“扶镜手”，命名为AESOP。手术机器人于1997年3月在比利时布鲁塞尔St Pierre医院完成了第一例腹腔镜手术——胆囊切除术。1998年，ComputerMotion公司研制的Zeus系统、Intuitive Surgical公司研制的da Vinci系统和endoVia公司研制的Laprotek系统分别获得了成功。这三个系统均由三大部分组成：医生操纵台、机械手和内镜装置。Zeus系统采用纯信号方式实现医生操纵台对机器臂的控制，在传输距离上不受视频延迟的影响。Zeus系统于2001年9月首次成功实现了跨大西洋(美国纽约-法国斯特拉斯堡)的机器人腹腔镜胆囊切除术。目前，手术机器人不仅完成了普外科，还有脑神经外科、心脏修复、胆囊摘除、人工关节置换、泌尿科和整形外科等方面的手术。尽管如此，手术机器人还有许多方面需要不断的完善和改进，通过增加“人造视野”系统，可在手术过程中监视术野，辅助术者做出判断，增加手术的安全性；用软件来处理触觉和视觉图像的整合、分割和合成；提供稳定的触觉控制，识别不同的人体组织，进行关键解剖结构的图像识别和图像分割；具有良好的触觉反馈和位置觉。微型机电技术的不断深入发展为微小型机器人甚至纳米机器人提供了技术支持,它可以直接进入人体器官内部进行工作,完成组织取样、血管疏通、药物定点放置、微型手术和细胞操作等普通医疗技术和手段无法完成的工作。目前，国外正在研制和开发体内自主行走式诊断治疗、体内微细手术和体内药物直接投放微型外科手术机器人。医生用注射器将微型机器人推入人体内部,由它所携带的微生物传感器对人体组织进行检测，当发现有病变组织时,微型手术机器人对病变组织进行直接手术和药物注射治疗。哈尔滨工业大学机器人研究所成功研制出纳米级精密定位系统,在这个系统支持下的纳米级高精密微驱动机器人,能对细胞和染色体进行“显微手术”。纳米级机器人可在人体微观世界行走,随时清除人体中的一切有害物质,修复损坏的基因,激活细胞能量,使人不仅仅保持健康,而且延长寿命。医疗机器人将机器人技术应用到医疗领域，极大的推动了现代医疗技术的发展，是现代医疗卫生装备的发展方向之一。随着科学技术的不断更新、社会的老龄化和现代战争的高技术化，以及医疗技术的发展，各疗机器人及其辅助医疗技术将得到更深入而广泛的研究和应用,促进医疗机器人技术的快速发展。3.2 空间定位技术在计算机辅助导航系统中, 空间定位是整个系统的关键, 直接关系到整个系统的精度和计算机辅助手术的成败。其作用就是实时测出手术器械的空间位置和姿态, 根据定位传感器的不同, 可分为机械定位、超声定位、电磁定位和光学定位法。 （1）机械定位机械定位是手术导航系统最初的定位方法, 属于无源定位。定位用机械手至少应有6 个自由度, 且每个关节均有编码器。和机械手相联的手术器械的位置和旋转, 能够通过机械手的几何模型和关节编码器的瞬时值计算出来，典型精度为: 2～3 mm。机械手定位的优点是不会被阻塞, 不会被障碍遮挡, 同时可在特定位置夹住或放置手术器械。缺点是在手术中较为笨拙, 施加在机械手上的压力可使数据发生变化, 同时存在固定装置和制动器的位移误差。机械定位常用于无臂系统的标定和检查。 (2) 超声定位通过测量超声波的传播时间来测量超声波发射器与接收器间的距离。在手术器械上放置N (至少大于3) 个发射器, 即可计算出手术器械的位置和姿态。该系统的绝对精度一般为5mm。超声波定位的主要问题在于温度对超声波的影响、空气位移、空气非均匀性以及发射器的大尺寸等。 (3) 电磁定位在电磁定位系统中, 每个电磁产生线圈定义一个空间方向, 3 个线圈确定三个空间方向, 然后再根据已知的相对位置关系就可以对目标的空间位置进行定位。电磁定位系统的精度为2mm。电磁定位的精度较高, 又属于非接触式定位。但系统磁场对工作空间中的任何金属物体的引入都很敏感。 (4) 光学定位光学定位是目前手术导航系统中的主流定位方法。以CCD 摄像机作为传感器,测量目标为安装在手术器械上的几个红外发光二极管, 通过红外发光二极管的空间位置, 计算出手术器械的位置和姿态。根据所用摄像机的不同, 光学定位可分为线阵CCD和面阵CCD两种。面阵CCD 测量系统由两个面阵CCD 摄像机组成, 采用标准镜头, 在图像中的每个光点定义了空间的一个投影线, 采用空间两个摄像机可计算其对应投影线的交点, 获得点的三维坐标。线阵CCD 测量系统采用柱面镜头, 利用3 个相对位置固定的线阵CCD 构成, 被测点与镜头的节点轴确定的平面与敏感元件垂直相交处为被测点所成的像, 通过3 个确定的平面相交可以确定被测点的空间位置。由于线阵CCD的分辨率可以做得很高(4096) , 其空间分辨率就很高, 典型的线阵CCD 导航系统精度在0. 5 mm 以内, 而面阵CCD 系统的典型精度为1mm。光学定位系统的优点是精度高, 处理灵活方便,但易受术中手的遮挡、周围光线及金属物体镜面反射的影响。3.2 虚拟现实技术虚拟现实,简称VR技术（英文名为Virtual Reality）.这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔在20世纪80年代初提出的，我国著名科学家钱学森将它翻译为“灵境技术”它是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一，并利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等传感装置，把操作者与计算机生成的三维虚拟环境链接在一起。操作者通过传感器与虚拟环境交互作用，可获得视觉、听觉、触觉等多种感知，并按照自己的意愿去改变的虚拟环境被称之虚拟现实。