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这个外科手术机器人可以为患者“量身定制”

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世界首创,来自澳大利亚机器人视觉研究中心的研究人员正在推动手术机器人的发展边界,他们创造了可定制的、小型化的手术机器人,能够唯一地与个体患者的解剖手术相匹配。

该前沿研究项目是中心研究员安德鲁·拉兹吉耶夫(Andrew Razjigaev)博士的心血结晶,去年11月,他的第一个用于膝关节镜检查的SnakeBot原型给HRH The York公爵留下了深刻的印象。

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现在,年轻的研究人员正在进行外科手术机器人SnakeBot设计的下一步,他们受到了来自中心的世界顶级医疗健康机器人研发团队的支持。

新计划设想了多个连接到“RAVEN II手术机器人研究平台”的蛇形机器人,取代了单个机器人,这些机器人将共同努力改善患者的治疗效果。

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该项目的创新性延伸到了进化型计算机算法设计,即在一场“适者生存”的战斗中创造出为患者量身定制的独特SnakeBots。

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只有最优的设计才能存活,尤其适用于贴合、灵敏操纵并内窥一个患者的膝盖,作为外科医生的眼睛和工具的增强,同时还有低成本(3D打印)和一次性使用的好处。

中心首席研究员Jonathan Roberts和副研究员Ross Crawford(也是一名整形外科医生)领导着QUT(昆士兰科技大学)的医疗健康机器人研发团队,他说半自动手术系统可能以前所未有的方式彻底改变锁孔手术。

Crawford教授强调,机器人系统的目标——将手术双臂远程操作和基于自主视觉的控制相结合——旨在帮助而不是取代外科医生,最终改善患者的治疗效果。

“当前,外科医生在膝关节镜手术中通常使用被描述为“粗暴一刀切”的工具,即使患者及其解剖结构可能有很大差异,”克劳福德教授说。

他说,正在研究的这套手术系统有可能大大超过目前最先进的手术工具。

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“该研究项目的目的是将蛇形机器人设计成小型化和高度灵巧的手术工具,配备计算机视觉功能,能够在狭窄的空间内绕过障碍物,例如人体解剖学,”克劳福德教授说。

“灵巧非常重要,因为机器人不仅需要到达手术部位,而且还需要通过远程操作执行复杂的外科手术。”

Roberts教授表示,该研究项目是针对膝关节镜检查的外科机器人世界首创,如果没有澳大利亚机器人视觉中心研究人员的多学科专业知识,这项研究项目将无法实现。

“这个项目最激动人心的事情之一就是它将机器人社区的许多想法融合在一起,形成了解决现实世界问题的实用解决方案,”他说。

“该项目一直在快速进行,主要是由于Andrew博士的辛勤工作和智慧,由具有机械工程,机电一体化,航空航天,医学,生物学,物理和化学背景的顾问团队提供支持。”

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由于在2021年初完成了他的博士研究项目,Andrew Razjigaev于2017年毕业于QUT的机电一体化工程师,并自2016年起成为该中心医疗健康机器人小组的一员。

“机器人技术就是以某种方式帮助人们,而我最为兴奋的是,这个项目可能会改善健康状况,减少并发症,加快患者康复速度。”这位23岁的小伙子说,“这才是真正推动我研究的因素—— 能够帮助人们并带来积极的变化。膝关节镜检查是世界上最常见的整形外科手术之一,每年有大约400万个手术,所以这个项目可能会产生巨大影响。“

Andrew 说,他希望他的工作将导致新手术工具的现实发展。

“外科医生希望尽其所能,但却面临很多挑战,”他说,“我们的目标是为外科医生提供新工具,以便能够更有效,更安全地进行现有手术,如膝关节镜检查,甚至可能进行手术,这类手术对于使用当今的工具来说太难以尝试。在我的工作中运用‘进化’也是非常酷的!毫无疑问,我们正在目睹这个古老的过程——唯一的区别是它发生在计算机内而不是自然中。“

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手术过程:
1、该过程从扫描患者的膝盖开始。在医生的监督下,计算机将SnakeBots的区域分类到膝盖(绿色区域)和要避开的区域(红色区域)。
2、由此产生的几何结构为SnakeBots提供了一个3D环境,可以在模拟演化中进行竞争。它可以对许多标准SnakeBot设计进行测试,并根据它们的表现进行评分 - 即它们在患者膝盖内的位置进行操作的程度。测试中的黑线显示了SnakeBot在这些站点上操作的一些轨迹。
3、进化型计算机算法启动,不断创造新一代的SnakeBots,重新测试和杀死较弱的变种,直到一个幸存,与个体患者的解剖结构唯一匹配。可以安全地以更灵巧的方式到达目标的SnakeBot赢得了进化之战并声称最佳设计。
4、最佳的SnakeBots生成3D模型,作为每个患者独有的低成本、一次性手术工具进行3D打印。
5、他们现在准备好进行手术了!微型SnakeBots连接到一个更大的桌面机器人平台(如RAVEN II),可以将它们放入手术切口部位。
6、预计两个SnakeBots在其尖端配备有手术器械,以使外科医生能够执行双臂远程手术。
7、多机器人系统中的第三个SnakeBot将在其尖端安装摄像头。机器人视觉系统将使用该摄像系统来映射患者的体腔,以便机器人可以朝向感兴趣的区域转向并远离应该避免的微妙区域。它将作为外科医生的眼睛,同时跟踪两个手臂和手术区域。

原文来自:Australian Centre for Robotic Vision,由爱吧机器人网原创翻译,转载请注明。

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