[发明专利]一种远程操控的骨折复位手术机器人系统及复位控制方法

说明书

技术领域

本发明属于手术机器人领域，特别涉及一种远程操控的骨折复位手术机器人系统及复位控制方法。

技术背景

目前，在医生行业中“走穴”现象越来越常见，精英医生需长途奔袭进入手术室，四处进行手术，身体力行。而对于情况极其复杂的骨科复位手术，术中需要照射大量X光片，若是医生一定要在手术室里完成手术的话，则会接受大量辐射，影响医生健康，因而一种远程操控的手术机器人的系统成为一种急迫的需要。

此外，由于某些特定手术环境或手术部位特殊，所需要的手术中提供很高数值的驱动力，而这在传统的手术中，医生将很难提供，而代替医生进行操作的手术机器人能够良好的解该问题，提供手术中需要的巨大驱动力。而对于骨折复位手术机器人而言，现有的控制方法只有单一的自动模式，即手术全程由机器人自动地，或是通过视觉伺服，或是通过标定使用绝对坐标系导航的方法完成。如专利《一种多任务手术机器人的视觉伺服控制方法》中的骨折复位机器人系统运用的即为全自动的控制方法。该文献中所述手术方法为先通过图像采集得到图像信息，根据图像提取到的特征，通过视觉伺服的控制算法生成机器人控制量，从而控制机器人完成复位手术。然而根据临床试验效果可见，由于骨折处四周包裹大量肌肉，受力情况随机，且大多数情况下为不稳定平衡，复位过程中经常会发生骨茬锁死，旋转锁死的不利局面。由此可见全自动机器人的临床鲁棒性较差，精确复位成功率低，成功条件较为苛刻。

而现有的骨折复位手术机器人系统，模块多且复杂，除了必要的图像采集模块，远端控制模块，近端操作模块之外，多出了不必要的模块。如文献[2](WESTPHAL R,WINKELBACH S,WAHL F,et al.Robot-assisted Long Bone Fracture Reduction[J].International Journal of Robotics Research,2009,28(10):1259-78.)中所述的复位机器人系统共有图像采集模块，远端控制模块，近端操作模块，红外导航模块，标定模块。手术前，先需用标定模块对于术中所用的图像采集模块与红外导航模块，进行事先误差标定。其次进入手术中，该系统通过图像采集模块与红外导航模块结合采集图像，远端控制模块根据得到的图像以及导航信息生成控制量，近端操作模块根据该控制量控制机器人运动，系统较为复杂。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种远程操控的骨折复位手术机器人系统及复位控制方法。通过本发明系统，可借助图形界面进行骨折复位路径规划，骨折复位机器人根据该路径进行相应的复位操作以利于医生后续进行手术，本系统构成简单，使用方法清晰直观，可以应对各种复杂的骨折情况。

本发明提出的一种远程操控的骨折复位手术机器人系统，包括：手术图像采集设备，骨折复位机器人和远程控制工作站；所述手术图像采集设备通过数据线或无线网络连接远程控制工作站，远程控制工作站通过数据线或者无线网络连接骨折复位机器人；其特征在于，所述远程控制工作站上安装有规划复位路径的图形界面。

本发明提出的一种基于如上述系统的复位控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)手术图像采集设备实时采集骨折患处的正位透视图像和侧位透视图像各一张，通过数据线或无线网络发送到远程控制工作站上，远程控制工作站生成相应的规划复位路径的图形界面；

2)操作者通过图形界面上显示的正位透视图像和侧位透视图像判断骨折是否需要继续复位：若不需要，则骨折复位结束；若需要继续复位，则在图形界面上通过点击相应按钮进行复位路径规划，完成后用鼠标箭头按下Run按钮，计算控制误差e；

3)利用步骤2)得到的控制误差e，按照基于图像的免标定视觉伺服控制律计算相应的机器人控制量r，表达式如下：

其中，控制量r为骨折复位机器人中六个杆的杆长改变量，为矢量；k_P,k_I,k_D分别为视觉伺服控制律的比例系数、积分系数、微分系数；J为雅克比矩阵；∫edt为控制误差e对时间t的积分，为控制误差e对时间t的导数；

4)远程控制工作站将步骤3)中计算得到的控制量r发送给骨折复位机器人，机器人根据该控制量进行运动；运动完成后，重新返回步骤1)。

本发明的特点及有益效果在于：