[發明專利]一種機器人輔助骨折復位的路徑規劃方法

在審

• 申請號: 202010061853.1
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111134842A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 雷靜桃;程利亞
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: A61B34/10
• 分類號: A61B34/10;A61B34/30;A61B17/56
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

1.一種機器人輔助骨折復位手術的路徑規劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

1）針對長骨骨折閉合復位，采用機器人輔助骨折復位手術操作時，骨折近端固定不動，機器人輔助將骨折遠端對準近端進行復位操作；

2）術前，根據醫生提供的患者術前的骨折側和健側骨的CT掃描數據，采用逆向建模方法，進行重建獲得骨折側和健側骨的三維數字化模型；

3）基于健側鏡像配準的復位原則，在mimics和Geomagic studio軟件中，通過圖像配準方法，確定骨折軸向、縱向、徑向或橫向的移位偏差和旋轉偏差，并分析骨折移位和旋轉偏差值；

4）骨折遠端空間姿態調整：

由機器人調整骨折遠端相對于近端姿態，使其相對于骨折近端達到合理的解剖姿態，同時由固定在骨折遠端的NDI光學跟蹤陣列實時測試骨折遠端的3個姿態角，保證骨折遠端的姿態調整以及完成復位后滿足復位精度要求；

5）復位路徑規劃準備：

首先，給出骨折模型的柵格圖，柵格的數量和間距遵循兩個條件：

（1）柵格間距小于復位精度；

（2）滿足精度前提下準確的表示障礙物的形狀；

然后，將骨折遠端和骨折近端各自的下半部分近似為圓柱形，舍棄近端和遠端不影響復位路徑的部分；

6）避碰路徑規劃：

利用基于A*算法的骨折復位路徑規劃算法，確定最佳避碰復位路徑；

7）復位路徑規劃：

將長骨骨折三維數字化模型，分別投影到兩個直角坐標平面內，在兩個平面內分別采用A*算法進行復位路徑規劃；

8）將基于A*算法規劃的復位路徑規劃所獲得的數據點的坐標保存為數據文件，并傳輸給復位機器人控制器，機器人控制骨折遠端按照所規劃的復位路徑進行復位手術操作；

9）在骨折遠端和近端分別固定NDI光學跟蹤系統導航架，并測試骨折近端和遠端的空間位姿；骨折近端和遠端分別固定一個NDI定位系統的光學跟蹤陣列，測試骨折近端和遠端相對空間姿態。

2.根據權利要求書1所述機器人輔助骨折復位手術的路徑規劃方法，其特征在于：在所述在步驟6）中，采用基于A*算法的雙平面避碰復位路徑規劃方法，確定骨折復位路徑；將骨折近端和遠端投影到兩個直角坐標平面內，在兩個坐標平面內分別采用A*算法進行復位路徑規劃。

3.根據權利要求書1所述機器人輔助骨折復位手術的路徑規劃方法，其特征在于：在所述在步驟6）中，A*算法通過估計函數來確定搜索方向，從起點開始向周圍擴展，通過估價函數計算得到周圍每個節點的代價值，選擇最小代價節點作為下一個擴展節點，重復這一過程直到達到目標點，生成最終復位路徑。

4.根據權利要求書3所述機器人輔助骨折復位手術的路徑規劃方法，其特征在于：在所述在步驟6）中，在搜索過程中，由于路徑上的每個節點都是具有最小代價的節點，因此得到的路徑代價是最小的；A*算法的估價函數為：；其中，表示從起始點經過任意節點到達目標點的估價函數，表示起始點到節點的實際代價，表示節點n到目標點的估計代價。

5.根據權利要求書3所述機器人輔助骨折復位手術的路徑規劃方法，其特征在于：在所述在步驟6）中，計算估價函數時，使用了曼哈頓距離和歐氏距離的計算公式；當節點沿柵格圖的邊長方向搜索時，采用曼哈頓距離公式計算；當節點沿柵格圖的對角線方向搜索時，采用歐幾里得距離公式計算。

6.根據權利要求書1所述機器人輔助骨折復位手術的路徑規劃方法，其特征在于：在所述在步驟1）中，針對股骨或脛骨的長骨骨折，采用機器人輔助進行閉合式復位手術操作時，將骨折近端固定于手術床上，機器人輔助將骨折遠端對準骨折近端的復位操作。

7.根據權利要求書1所述機器人輔助骨折復位手術的路徑規劃方法，其特征在于：在所述在步驟4）中，導航架固定于骨折遠端，機器人根據骨折旋轉偏差值進行骨折遠端的姿態調整，并實時觀察導航架與NDI基準坐標系間的姿態角，直至骨折遠端姿態調整到位。

8.根據權利要求書1所述機器人輔助骨折復位手術的路徑規劃方法，其特征在于：在所述在步驟5）中，投影到直角坐標平面內的骨折模型投影圖中，確定進行骨折復位路徑規劃的起始點、終止點以及路徑上的若干障礙點一系列特征點，其中障礙點作為復位路徑規劃的避障約束點，以保證復位操作時應避免股骨遠端與近端發生碰撞。