[發明專利]一種機器人輔助骨折空間避碰復位路徑規劃方法

在審

• 申請號: 202010731454.1
• 申請日: 2020-07-27
• 公開（公告）號: CN111887989A
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（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

本發明涉及一種機器人輔助骨折空間避碰復位路徑規劃方法，針對長骨螺旋型骨折類型，長骨螺旋型骨折后骨折遠端相對于近端的位置和姿態偏差，利用Mimics和Geomagic studio軟件，由基于健側骨鏡像配準的方法確定。將骨折近端牢固固定，將機器人輔助骨折遠端的復位操作劃分為相對于骨折近端“移動?旋轉?移動”三個步驟。采用三維空間的A*算法確定骨折遠端的復位路徑。骨折遠端相對于近端旋轉，以調整骨折遠端的姿態，直至骨折遠端和近端達到理想的解剖狀態。本發明方法考慮長骨螺旋型骨折后骨折遠端相對于近端的位置和姿態偏差，同時考慮了復位過程中可能出現的障礙物，避免機器人輔助骨折復位過程中發生接觸碰撞，有效提高機器人復位操作的安全性。

技術領域

本發明涉及一種機器人輔助骨折復位的空間避碰復位路徑規劃方法，屬于機器人技術領域。

背景技術

骨折復位手術是治療骨創傷的有效方法，傳統骨折復位手術效果主要依賴于醫生經驗，存在手術精度不高、術中醫患雙方受輻射、術后并發癥多等不足。

隨著機器人技術和計算機輔助導航技術的發展，機器人輔助醫生完成高精準骨折復位操作成為可能。與傳統手術相比，機器人輔助骨折復位手術有顯著優勢，具有廣泛應用前景。復位機器人能夠輔助醫生按照預先規劃的復位路徑進行復位操作，有效解決傳統復位手術的不足。

機器人輔助骨折復位手術，重復定位精度高，能提高手術操作精準度；微創手術，較小的手術創傷能提高病人恢復速度；提高手術成功率、減少并發癥，

機器人輔助骨折復位手術的路徑規劃，是根據骨折類型和骨折后骨折的空間位姿，術前確定最佳的復位手術操作路徑，將規劃的復位路徑傳輸給機器人，由機器人自主完成骨折復位。機器人輔助復位過程中，避免術中骨折遠端與周邊環境組織發生碰撞，減少復位過程中路徑不確定性導致的手術時間過長，以提高手術效率和精度，減少術后并發癥，使骨折后斷裂錯位的骨骼可以恢復到正常解剖位置，保證骨愈合過程中不發生錯位。

路徑規劃是利用尋路算法盡快找到一條最佳路徑，如時間最短、路徑最短、代價最小等。A*算法通常被用于地面移動機器人的路徑規劃，僅僅考慮物體的位置，不考慮物體的姿態。從避障尋路角度出發的傳統空間路徑規劃算法往往也只考慮空間的位置關系，將執行路徑的物體簡化為一個質點，而忽略其姿態。

目前，機器人輔助骨折復位路徑規劃的方法，主要是通過CT掃描、逆向重建得到三維骨折模型，將其導入虛擬復位環境中，實現手動或者半自動的骨折復位，記錄下虛擬的復位路徑，并將該路徑用于實際復位操作中去。手動的骨折復位方式是人為調整骨折模型在虛擬復位環境中的相對位置實現復位；半自動的骨折復位方式是預先定義骨折遠端的運動方向，在發生碰撞時，人為修改路徑避免碰撞。但在沒有人為參與的情況下，手動或者半自動的骨折復位方式無法有效獲得一條空間避碰路徑。

發明內容

本發明的目的在于針對已有技術存在的不足，提供一種機器人輔助骨折復位的空間避碰復位路徑規劃方法，考慮到長骨螺旋型骨折遠端相對于近端的位置和姿態偏差，同時考慮了復位過程中可能出現的障礙物，避免機器人輔助骨折復位過程中發生接觸碰撞，有效提高機器人輔助復位操作的安全性。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種機器人輔助骨折空間避碰復位路徑規劃方法，針對長骨螺旋型骨折，根據健側骨鏡像配準，確定骨折的移位偏差和旋轉偏差，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，參考骨科醫生在實際骨折手術操作中的手法“拉伸-旋轉-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-移動”三個步驟：

1)“移動”復位：

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

2)旋轉姿態調整：