[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

本發明涉及一種機器人輔助骨折復位手術的路徑規劃方法，采用骨折遠端姿態調整及基于A*算法的雙平面避碰復位路徑規劃方法。在mimics和Geomagic studio軟件中進行基于健側鏡像匹配方法確定骨折偏差參數，在兩個不同坐標平面內分別進行基于A*算法的骨折復位路徑規劃。本發明所述的骨折復位路徑規劃方法，能有效避免復位中遠端的大幅度牽拉以及骨折遠端與周圍組織碰撞，實現短耗時、高精度、安全避碰的骨折復位操作。具有方法簡單、安全有效等優點，適用于機器人輔助股骨、脛骨等長骨骨折復位手術，能夠提高骨折復位操作的精度和安全性，提高復位效率，降低醫生工作強度。

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，涉及一種機器人輔助骨折復位手術的路徑規劃方法。

背景技術

手術復位是骨折外科治療的手段，傳統骨折復位操作是醫生在X光機引導下進行，難以達到高精度。閉合性骨折復位微創內固定治療股骨干骨折，具有手術創傷小、骨折愈合快且愈合率高、感染發生率低等優點。但是由于不直接暴露骨折斷端，骨折端的復位尤其是旋轉復位一直是手術難題。

隨著機器人技術發展，國內外開展機器人輔助骨折復位研究。機器人輔助骨折復位手術，醫生操作機器人通過X光機來觀察患者骨折部位的復位情況，正確合理的術前復位路徑規劃是保證手術安全的前提，對提高手術精準度、減少患者手術損傷具有重要意義。

機器人輔助骨折復位過程中，需考慮以下幾點：

（1）復位過程中，骨折遠端不能與骨折周圍組織進行碰撞。骨折后，骨骼肌肉組織碰撞及周圍軟組織引起的牽引力阻礙期望復位運動。如果術前沒有進行合理的路徑規劃，那么神經系統、軟組織、肌肉組織很容易被拉伸和扭曲，引起患者二次受損傷，其中以神經系統的損傷最為嚴重，損傷后很可能造成不可逆轉的后果。為避免機器人復位操作可能造成的二次損傷，提高機器人輔助復位操作的安全性和精準度，縮短手術操作時間，有必要在手術前規劃一條合理的、安全的避碰復位路徑。

（2）針對閉合式骨折，通常存在位移偏差還有角度旋轉偏差。在難以觀測到骨折周圍內部的情況下，需要進行術前路徑規劃，實現對骨折的精準、安全復位操作。

（3）機器人輔助手術時，機器人操作臂末端與周圍環境間有限的工作空間和碰撞可能性是機器人輔助手術的挑戰，手術機器人的末端執行器必須到達患者的解剖目標，并且不能與患者或周圍的器械發生碰撞。

路徑規劃是指在有障礙物的環境中，按照一定的評價標準（如距離、時間、代價等），搜索尋找一條從起始點到目標點的無碰撞路徑，其核心是路徑規劃算法。傳統的路徑規劃算法有人工勢場法、模糊邏輯算法、柵格法、自由空間法等。隨著人工智能技術的發展，出現一些智能算法用于路徑規劃，如蟻群算法、遺傳算法、神經網絡算法等。

術前避碰復位路徑規劃，是確定機器人輔助骨折復位操作時的移動路徑。在此基礎上，利用手術導航系統進行精準復位操作，將骨折后斷裂錯位的骨骼恢復到正常解剖位置，并在骨愈合過程中不發生錯位。

針對股骨、脛骨等長骨骨折類型，骨折后，遠端相對于近端發生軸向偏移、縱向偏移、徑向（或橫向）偏移和旋轉偏移，有6個骨折偏差參數。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，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?，F有技術在機器人輔助手術進行復位時，遠端的大幅度牽拉以及骨折遠端與周圍組織碰撞易發生醫療事故，精度和安全性還存在不足。

發明內容