[發(fā)明專利]一種機器人輔助骨折空間避碰復位路徑規(guī)劃方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010731454.1
• 申請日: 2020-07-27
• 公開（公告）號: CN111887989A
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發(fā)明（設計）人: 雷靜桃;許海飛
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: A61B34/10
• 分類號: A61B34/10;A61B34/20;A61B34/30
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

1.一種機器人輔助骨折空間避碰復位路徑規(guī)劃方法，其特征在于：

針對長骨螺旋型骨折，根據(jù)健側(cè)骨鏡像配準，確定骨折的移位偏差和旋轉(zhuǎn)偏差，將骨折近端牢固固定，機器人輔助操作骨折遠端相對于近端進行復位操作，參考骨科醫(yī)生在實際骨折手術操作中的手法“拉伸-旋轉(zhuǎn)-復位”，將機器人輔助長骨螺旋型骨折復位操作過程分解為“移動-旋轉(zhuǎn)-移動”三個步驟：

1)“移動”復位：

采用三維空間的A*算法進行規(guī)劃，復位過程中按照在三維空間中所規(guī)劃的復位路徑，避開復位路徑上可能出現(xiàn)的障礙物；

2)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)調(diào)整：

骨折遠端移動到合適位置時，骨折遠端相對于近端旋轉(zhuǎn)，進行姿態(tài)調(diào)整；

3)二次移動復位：

繼續(xù)進行復位，通過不斷調(diào)整骨折遠端的位置和姿態(tài)，向骨折近端慢慢逼近，以保證復位后骨折遠端和近端達到理想的解剖狀態(tài)，實現(xiàn)良好的復位效果，從而完成機器人輔助骨折復位手術操作。

2.根據(jù)權利要求1所述機器人輔助骨折空間避碰復位路徑規(guī)劃方法，其特征在于：進行骨折復位路徑規(guī)劃之前，采用基于健側(cè)骨鏡像配準算法，利用Mimics和Geomagic studio軟件確定骨折遠端相對于近端的空間位置偏差和姿態(tài)偏差，通過CT掃描數(shù)據(jù)，在Mimics軟件中逆向重建生成骨折遠端、近端以及健側(cè)骨的三維數(shù)字化模型，使用Mimics軟件中的“Mirror”功能生成健側(cè)骨的鏡像，以鏡像后的健側(cè)骨為基準，將骨折近端與之進行配準并固定，隨后將包含骨折遠端、近端以及健側(cè)骨的三維數(shù)字化模型導入Geomagic studio軟件，選取遠端特征點作為參考坐標系原點，通過“STL配準”命令進行自動配準，將骨折遠端與鏡像后的健側(cè)骨進行配準，由此確定骨折遠端相對于近端的空間位置和姿態(tài)偏差。

3.根據(jù)權利要求1所述機器人輔助骨折空間避碰復位路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述復位采用三維空間的A*算法進行路徑規(guī)劃，所述步驟1)“移動”復位具體操作步驟為：

(1)已知骨折近端和遠端的空間位置，分別以近端和遠端上的某個特征點的位置表示，骨折近端和遠端相對于設定的基準參考坐標系的姿態(tài)，障礙物的位置和形狀等；設定復位路徑規(guī)劃的起始點為O₁，目標點為O₂；

(2)確定骨折遠端在第一次“移動”操作后的中間點O_mid，該中間位置應避免遠端在后續(xù)的姿態(tài)調(diào)整時與周圍生物組織的碰撞；

(3)采用三維空間的A*算法進行骨折遠端第一次“移動”路徑規(guī)劃：

將O₁作為A*算法的起始點，也即第一個父節(jié)點，將O_mid作為目標點；從初始節(jié)點O₁開始進行A*算法的搜索與拓展；

(4)定義拓展搜索過程中的相關節(jié)點：

A*算法搜索的每次拓展過程中，進行拓展的中心節(jié)點被稱為父節(jié)點，從父節(jié)點開始向其周圍拓展的若干節(jié)點被稱為子節(jié)點；從當前定義的父節(jié)點出發(fā)，在三維空間中向父節(jié)點的周圍26個節(jié)點進行拓展搜索，舍棄位于障礙物及其周邊的節(jié)點以及已經(jīng)拓展過的父節(jié)點，其中可被拓展的子節(jié)點定義為可拓展節(jié)點，被舍棄的子節(jié)點定義為不可拓展節(jié)點；

(5)計算并比較每個子節(jié)點的估價函數(shù)F(n)：

將估價函數(shù)F(n)最小值對應的子節(jié)點作為下次拓展的父節(jié)點，并進行拓展搜索；定義F(n)＝G(n)+H(n)為A*路徑規(guī)劃算法的估價函數(shù)，其中，G(n)表示從起始點到任意節(jié)點n的路徑代價，H(n)為啟發(fā)函數(shù)，表示任意節(jié)點n(x_n,y_n,z_n)到目標點(x_target,y_target,z_target)的估計代價，采用三維空間中的歐幾里得距離計算啟發(fā)函數(shù)，計算公式為：

(6)如果在節(jié)點拓展過程中存在著多條不同路徑拓展到同一節(jié)點，該節(jié)點F(n)不為最小，且未被作為父節(jié)點進行拓展，保留拓展到該節(jié)點F(n)較小的一條路徑，轉(zhuǎn)至步驟(5)，直到拓展到中間點O_mid，得到一條從起始點O₁到中間點O_mid的空間復位路徑。