[发明专利]骨折复位手术机器人系统及方法

说明书

本发明公开了一种骨折复位手术机器人系统及方法，其中，系统包括：手术图像采集设备，用于采集手术实时的透视图像；远程控制工作站，远程控制工作站包括图形界面，用于接收透视图像，并通过图形界面显示透视图像，以生成或接收医生的骨折复位规划路径，并且通过图形界面显示骨折复位规划路径，以及根据骨折复位规划路径获取机器人控制量；骨折复位机器人，用于接收机器人控制量，并根据机器人控制量执行相应运动，以完成骨折复位手术。该系统有效避免了额外标志物的安装以及标定与注册过程，且比起传统基于“术前规划‑术中执行”机器人控制方法可以获得更高的手术精度，并具有构成简单、使用方法清晰直观、且可以应对各种复杂的骨折情况的优点。

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，特别涉及一种骨折复位手术机器人系统及方法。

背景技术

微创技术是创伤性骨折手术复位固定中广泛采用的技术，但带之而来的问题是，医生需要暴露在X光下操作。而对于复杂的骨折手术，术中往往需要进行大量X光照射，造成医生遭受大量辐射，影响健康，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。

现有研究中的骨科手术机器人根据专门的手术导航系统提供的坐标进行相应的操作。其中常用的手术导航技术有CT与X光配准，光学跟踪与定位等等。这些手术导航技术都是基于物理空间的绝对坐标，即导航系统的任务是获取手术器械，手术部位的位置和姿态在同一个绝对坐标系下的表示，既所谓的注册过程。然后手术机器人根据绝对坐标下的位置和姿态信息进行操作。这种导航方法有如下三个缺点：其一是手术前需要对X光机等成像设备进行标定，不仅费时，还可能由标定误差引起导航精度下降；其二是需要在手术器械和手术部位上安装额外的标志物，增加了手术步骤，也增加了对患者的创伤；其三是往往需要额外配置专用的导航设备，如术中CT和红外光学跟踪定位系统等等，大大增加的设备成本。

另一方面，现有的大部分手术机器人运动使用的是开环控制。具体来说，就是手术前先通过导航系统获取手术操作端，手术部位或手术操作端夹持的肢体在绝对坐标下的位置信息，然后据此计算出机器人需要运动的轨迹，手术中按照事先计算好的轨迹进行操作。简言之就是“术前规划-术中执行”，因此只能刚性地执行任务，不具备手术过程中实时校正的能力。这样一来，术前规划的误差，术中标志物的错动，乃至病人呼吸等原因引起的手术部位的运动都会大大降低手术精度，甚至导致手术失败。如相关技术中，骨折复位机器人采用的就是“术前规划-术中执行”的控制策略，通过术前的CT信息计算出骨折复位所需要的手术机器人操作端的运动量，术中按照实现计算好的方式运动，没有通过视觉信息实时反馈校正的能力。

尽管部分手术机器人引入了术中实时反馈的手段，但都是通过红外光学定位等间接手段而不是直接的图像信息进行反馈的。如相关技术中介绍的骨折复位和髓内钉固定机器人系统，采用术前的CT和X光图像进行规划，术中采用红外光学定位装置进行反馈(在骨头上安装了红外标志点)，但术中没有直接利用X光等图像信息，在肌肉张力，骨骼的变形等因素原因的影响下标志点可能发生位移，进而导致定位精度下降。

近年来，对运动的视觉伺服控制方法在机器人领域受到越来越多的关注。所谓视觉伺服运动控制，即通过视觉传感器获取目标和机器人的位置或运动信息，然后将这些信息实时地用于机器人的运动控制，以引导机器人完成特定的任务。由于采用视觉反馈对机器人进行闭环控制，机器人的定位精度相比开环控制更高，且能够对实际任务中可能发生的目标位置的变化做出相应的调整。而视觉伺服技术中的一个分支，即“基于图像的免标定视觉伺服”技术，比如，一种多任务手术机器人的视觉伺服控制方法，由于采用相对坐标的概念，避免了传统视觉伺服中的标定步骤，使得使用流程大大简化。另外，随着数字图像处理技术的进步，视觉伺服对目标和机械手臂前端人为安装的标志物的依赖也越来越小，利用目标和机械臂前端在图像中的特征点和边缘等图像特征信息即可完成对机器人的控制。但目前该视觉伺服技术还未应用在手术机器人技术领域。