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醫療外科機器人(簡體書)
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醫療外科機器人(簡體書)

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商品簡介
目次
書摘/試閱

商品簡介

《醫療外科機器人/“十二五”國家重點圖書出版規劃項目·21世紀現金制造技術叢書》以北京航空航天大學機器人研究所在研究和開發醫療外科機器人過程中所積累的知識和經驗為主線,首先總結了醫療外科機器人的發展變革和趨勢;其次,從醫療外科機器人的機構分析與本體設計、控制策略與方法、典型影像處理與信息提取方法、手術規劃與仿真技術、遙外科技術、人機關系分析等角度對方法和技術進行了詳細論述,并從應用角度分析了醫療外科機器人的臨床操作規程和注意事項;最后,從產業化的角度.分析了醫療外科機器人的市場前景及創新策略,并對醫療外科機器人的未來發展給出了展望和建議。

20多年前,機器人技術開始進入醫療外科領域。當時,機器人等自動化設備已經在工業領域獲得了廣泛應用,在操作靈活性、穩定性及準確性方面顯示出了明顯優勢。為了解決外科手術中存在的精度不足、輻射過多、切口較大、操作疲勞等問題,人們開始探討如何在外科手術中引入機器人方法,借助機器人、傳感器等高新技術的獨特優勢,為外科手術提供全新的治療方法及系統,改善手術效果。時至今日,醫療外科機器人已經發展成為先進機器人領域的一個前沿性學術分支,一些大學和研究機構已經開發出了多種醫療外科機器人樣機,特別是daVinci機器人系統在臨床應用和商業化運作方面取得的巨大成功,大大促進了外科手術微創化和智能化的發展。
醫療外科機器人發展至今,面臨的最大閑擾是如何將工程研究成果有效地應用于外科臨床。這迫切需要工程界與醫學界的緊密溝通與合作,協同進行醫療外科機器人的技術開發與臨床研究。在此背景下,總結醫療外科機器人的發展歷程,歸納方法體系及技術特點,展望未來發展方向,對醫療外科機器人的進一步發展具有寶貴的啟迪和促進作用。
本書系統地總結了北京航空航天大學機器人研究所在研究和開發醫療外科機器人過程中所積累的知識和經驗。自1995年起,在國家科技支撐計劃、國家863計劃、國家自然科學基金、同家杰出青年基金以及多項國際合作計劃、地方科技計劃的支持下,北京航空航天大學先后開發了多種醫療外科機器人樣機,并在神經外科、骨科等臨床手術中得到了廣泛應用,積累了大量的設計經驗和試驗數據,并取得了廣泛而積極的社會影響。
本書重點介紹北京航空航天大學在醫療外科機器人研究中取得的成果,同時通過引文作必要的補充,以便給讀者一個完整的輪廓。
全書共9章。第1章總結了醫療外科機器人的發展變革和趨勢,使讀者對醫療外科機器人有一個宏觀的認識;第2章分析了醫療外科機器人的一般性體系框架,這是后續各章展開論述的基礎;第3~7章分別從醫療外科機器人的機構分析與本體設計、控制策略與方法、典型影像處理與信息提取方法、手術規劃與仿真技術、遙外科技術、人機關系分析等角度對方法和技術進行了詳細論述;第8章以作者團隊開發的腦外科和骨科機器人為基礎,從應用角度分析了醫療外科機器人的臨床操作規程和注意事項;第9章則從產業化的角度,分析了醫療外科機器人的市場前景及創新策略,并對醫療外科機器人的未來發展給出了展望和建議。

目次

第1章 概述
1.1 機器人的基本概念
1.2 醫療機器人的分類及特點
1.3 醫療外科機器人的概念及特點
1.4 醫療外科機器人系統的歷史變革
1.4.1 機器人輔助手術技術
1.4.2 遙外科手術技術
1.4.3 外科導航手術技術
1.5 醫療外科機器人系統的分類
1.5.1 機器人輔助定位系統
1.5.2 機器人輔助操作系統
1.6 醫療外科機器人的發展趨勢
參考文獻

第2章 醫療外科機器人的系統結構
2.1 醫療外科機器人系統的功能原理
2.1.1 圖像采集與處理單元
2.1.2 定位信息獲取單元
2.1.3 配準與空間變換單元
2.1.4 人機交互與顯示單元
2.1.5 機器人定位與手術操作單元
2.2 醫療外科機器人的組成結構
2.2.1 醫療外科機器人子系統
2.2.2 機器人軟硬件結構
2.2.3 手術器械末端
2.3 醫療外科機器人的關鍵技術模塊
2.3.1 機器人系統
2.3.2 輔助診斷及規劃導引
2.3.3 配準與空間映射
2.3.4 手術器械的位姿跟蹤
2.3.5 虛擬臨場操作
2.3.6 安全保證及人機交互
2.4 醫療外科機器人的特殊性
參考文獻

第3章 醫療外科機器人的機構分析
3.1 醫療外科機器人的機構類型綜合與優化
3.1.1 醫療外科機器人的任務分析
3.1.2 醫療外科機器人的機構類型綜合
3.1.3 醫療外科機器人的運動學分析
3.1.4 醫療外科機器人的機構優化
3.2 醫療外科機器人工作空間和靈活性分析
3.2.1 基本概念
3.2.2 2自由度手腕的靈活性分析
3.2.3 醫療外科機器人靈活工作空間確定
3.2.4 醫療外科機器人靈活工作空間綜合
3.2.5 CRAS-BH4機器人靈活空間綜合
3.2.6 混聯機器人工作空間分析
3.2.7 混聯機器人靈活性研究
參考文獻

第4章 醫療外科機器人的控制方法
4.1 醫療外科機器人控制的設計要求
4.1.1 控制系統的技術特點
4.1.2 控制系統的設計要求
4.1.3 控制系統的結構分析
4.2 控制模型分析
4.2.1 系統控制結構
4.2.2 系統控制方式
4.2.3 機器人單關節控制建模
參考文獻
……
第5章 醫療外科機器人的圖像引導技術
第6章 機器人遙外科技術
第7章 醫療外科機器人的人機交互技術
第8章 醫療外科機器人的臨床應用
第9章 未來的技術和產業化發展思考

書摘/試閱

根據所跟蹤目標點的發光與否,可以將光學定位系統分成主動和被動兩種光學定位方法。
1)主動光學定位系統
采用紅外發光二極管作為目標點,跟蹤器多采用三個以上的光電傳感器,追蹤定位紅外發光二極管位置。將若干相對位置固定的紅外發光二極管同時安裝于定位工具上,系統由此可實時計算得到該定位工具的空間位置和姿態。手術過程中,在手術器械和手術部位上分別同連一個定位工具,則系統可根據紅外發光點的空間位置,計算手術器械相對于手術部位的位置和姿態,再映射至圖像坐標系中并顯示到屏幕上,指導醫生完成手術操作。該系統具有定位精度高、處理靈活的優點,但接收裝置在術中可能被醫生或器械遮擋,帶來定位問題,而且這種設備價格相對較高。
2)被動光學定位系統
使用反射標志物作為目標點,目標點本身不發光。由兩個或多個攝像機對依照一定規則排列的若干目標點進行觀察,目標點反射光線并成像至CCD(chargecoupledevice,電荷耦合元件)傳感器中,系統對所拍攝圖像進行識別和處理,以確定目標點在空間的位置。將標志物安裝在定位工具上,即可計算得到該定位工具的位置和姿態。在手術器械和手術部位上分別固連一個定位工具,便可推算出手術器械相對于手術部位的位置和姿態。由于被動光學定位法需進行模式識別,圖像質量和模板匹配精度都會影響系統的精度。
2.機械定位法
機械定位法是最早應用到計算機輔助手術導航中的方法。機器人一般采用多自由度機械臂(為使其具有足夠靈活性,一般都有5個以上的自南度),機械臂前端可安裝各種手術器械。最早采用的是被動式機械臂,由醫生手持其前端帶動整個機械臂運動,各關節編碼器記錄該位置關節參數,從而可通過機械臂模型和關節參數計算得到手術器械的空間位置和姿態;目前則多采用主動式機器人,可通過編程和自動控制實現其工作空間中的點定位、路徑規劃以及運行軌跡。在機器人到達所需位置并鎖定后,在保持定位位姿的同時可承受一定的負載,而且不會產生疲勞,從而有效解決醫生手持手術器械時可能產生的抖動問題,提高手術安全性,但由于機器人占用一定空問,對手術操作需進行合理安排。
通用性機械臂形狀的機器人結構較為復雜,與手術環境適應性較差,價格較昂貴。因此,根據具體的手術環境和特點,還出現了各種專用定位機構。這種機構導航定位是簡化了的機器人定位系統,它的特點是結構簡單、定位任務單一、精度較高且價格便宜。它只完成手術中某一個具體的導航定位動作,因此所需自由度較少。系統可以將醫生規劃的手術路徑映射為機構的空間坐標系,從而實現主動定位。以這種機構作為醫生的手術平臺,可對醫生的手術動作進行導航,使醫生快速方便地完成手術操作。
通常情況下,機器人在確定末端點位置后會進行鎖定,而手術過程中手術對象的位置可能有微小位移,這樣就增加了手術精度的不確定性。為減小該誤差,可借助其他手段實時檢測手術對象的位置,機器人根據位置變化信息進行伺服。
3.電磁定位法
電磁定位法類似于有源光學定位,其原理如下:系統包括發射源和接收源,分別為三軸線圈和三軸傳感器,每一電磁線圈定義一個空間方向,于是三個線圈可確定三個空問方向,然后根據相對位置關系確定其空間位置。在手術環境中,可在手術臺下安置一個磁場發生器,磁場覆蓋整個手術區域,系統根據檢測器所接收目標點磁場信號的強度和相位,解算出其空問相對位置和方向。
電磁定位系統定位精度較高,且無遮擋問題,所以醫生的活動空間范圍和操作便利性比光學定位有所改進。電磁定位系統的精度一般為3mm。但該系統的磁場對工作空間中任何金屬物體的引入都很敏感,有可能影響到定位的精確性,這在手術室中是不可回避的問題。
4.超聲定位法
超聲定位法的原理就是超聲測距。這類系統也包括發射器和接收器,記錄超聲波在發射器和接收器之間的傳播時間,計算發射器和接收器的相對距離。在手術器械上放置至少三個超聲波發射器,通過測量超聲波的傳播時間計算發射器與接收器間的距離,根據接收器的相對位置來確定發射器即目標點的位置,從而計算出手術器械的位置和姿態。但溫度、空氣非均勻性等可能對超聲定位的精確性產生影響。
2.1.3配準與空間變換單元
為使外科醫生能夠通過多個模態醫學圖像了解患者的內部狀況,確定手術方案,并結合術中的定位信息精確地執行手術計劃并操作手術器械,使手術向空問定位精確和微創的方向發展,在前述圖像空間(虛擬環境)與手術定位空間(現實環境)之間必須有一個聯結的橋梁,使得醫學圖像中所提供信息與導航定位信息相互匹配,同時將圖像空間、手術定位空間與手術對象聯系起來,為精確的手術定位打下良好的基礎。
……

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