[发明专利]一种机器人辅助骨折复位的路径规划方法

说明书

本发明涉及一种机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法，采用骨折远端姿态调整及基于A*算法的双平面避碰复位路径规划方法。在mimics和Geomagic studio软件中进行基于健侧镜像匹配方法确定骨折偏差参数，在两个不同坐标平面内分别进行基于A*算法的骨折复位路径规划。本发明所述的骨折复位路径规划方法，能有效避免复位中远端的大幅度牵拉以及骨折远端与周围组织碰撞，实现短耗时、高精度、安全避碰的骨折复位操作。具有方法简单、安全有效等优点，适用于机器人辅助股骨、胫骨等长骨骨折复位手术，能够提高骨折复位操作的精度和安全性，提高复位效率，降低医生工作强度。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法。

背景技术

手术复位是骨折外科治疗的手段，传统骨折复位操作是医生在X光机引导下进行，难以达到高精度。闭合性骨折复位微创内固定治疗股骨干骨折，具有手术创伤小、骨折愈合快且愈合率高、感染发生率低等优点。但是由于不直接暴露骨折断端，骨折端的复位尤其是旋转复位一直是手术难题。

随着机器人技术发展，国内外开展机器人辅助骨折复位研究。机器人辅助骨折复位手术，医生操作机器人通过X光机来观察患者骨折部位的复位情况，正确合理的术前复位路径规划是保证手术安全的前提，对提高手术精准度、减少患者手术损伤具有重要意义。

机器人辅助骨折复位过程中，需考虑以下几点：

（1）复位过程中，骨折远端不能与骨折周围组织进行碰撞。骨折后，骨骼肌肉组织碰撞及周围软组织引起的牵引力阻碍期望复位运动。如果术前没有进行合理的路径规划，那么神经系统、软组织、肌肉组织很容易被拉伸和扭曲，引起患者二次受损伤，其中以神经系统的损伤最为严重，损伤后很可能造成不可逆转的后果。为避免机器人复位操作可能造成的二次损伤，提高机器人辅助复位操作的安全性和精准度，缩短手术操作时间，有必要在手术前规划一条合理的、安全的避碰复位路径。

（2）针对闭合式骨折，通常存在位移偏差还有角度旋转偏差。在难以观测到骨折周围内部的情况下，需要进行术前路径规划，实现对骨折的精准、安全复位操作。

（3）机器人辅助手术时，机器人操作臂末端与周围环境间有限的工作空间和碰撞可能性是机器人辅助手术的挑战，手术机器人的末端执行器必须到达患者的解剖目标，并且不能与患者或周围的器械发生碰撞。

路径规划是指在有障碍物的环境中，按照一定的评价标准（如距离、时间、代价等），搜索寻找一条从起始点到目标点的无碰撞路径，其核心是路径规划算法。传统的路径规划算法有人工势场法、模糊逻辑算法、栅格法、自由空间法等。随着人工智能技术的发展，出现一些智能算法用于路径规划，如蚁群算法、遗传算法、神经网络算法等。

术前避碰复位路径规划，是确定机器人辅助骨折复位操作时的移动路径。在此基础上，利用手术导航系统进行精准复位操作，将骨折后断裂错位的骨骼恢复到正常解剖位置，并在骨愈合过程中不发生错位。

针对股骨、胫骨等长骨骨折类型，骨折后，远端相对于近端发生轴向偏移、纵向偏移、径向（或横向）偏移和旋转偏移，有6个骨折偏差参数。针对长骨骨折闭合复位，采用机器人辅助骨折复位手术操作，将骨折近端固定于手术床上，机器人辅助将骨折远端对准骨折近端的复位操作。现有技术在机器人辅助手术进行复位时，远端的大幅度牵拉以及骨折远端与周围组织碰撞易发生医疗事故，精度和安全性还存在不足。

发明内容