CN107970064A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明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，属于手术机器人领域。该系统包括：手术图像采集设备，骨折复位机器人和远程控制工作站；其中远程控制工作站上安装有用于医生进行手术的规划复位路径的图形界面。工作时，手术图像采集设备采集手术实时的透视图像并传递到远程工作站；远程工作站将接收到的图像在规划复位路径的图像界面上显示出来，操作者根据图像界面进行骨折复位路径规划，远程工作站根据路径规划结果计算得到机器人控制量并发送给骨折复位机器人，骨折复位机器人根据接收到的控制量完成相应运动。本发明系统构成简单，使用方法清晰直观，可以应对各种复杂的骨折情况。
Description
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；kP,kI,kD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：
1本发明系统构成简单，图形界面清晰直观，只需在2维图像上进行规划，不需要进行2维到3维的坐标转换，便于医生后续完成手术。此外相比全自动的机器人骨折复位系统，本发明可以应对更为负复杂的骨折复位情况。
2本发明采用了远程操控的方法，即操作者可以在远离手术室辐射区域的地方过图形界面想机器人发送指令，彻底免受辐射伤害。此外由于采用了远程操控的方式，手术专家可以在外地通过操控手术机器人进行复位，进而完成手术，有助于提高落后地区的医疗水平，节约了因手术专家奔赴外地进行手术所耗费的时间。
3本发明所述的手术图像采集设备为G型臂等手术室常用设备，无需额外添置术中CT或红外光学系统等昂贵设备，不仅节约了成本也减少了培训医务人员所需要的时间。
附图说明
图1为本发明实施例的规划复位路径图形界面的示意图。
具体实施方式
本发明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，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。
本发明提出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与远程控制工作站通过数据线或无线网络连接，骨折复位机器人与远程控制工作站通过数据线或者无线网络连接；所述远程控制工作站上安装有用于医生进行手术的规划复位路径的图形界面。工作时，所述手术图像采集设备采集手术实时的正位透视图像和侧位透视图像并传递到远程工作站；远程工作站将接收到的图像在规划复位路径的图像界面上显示出来，操作者根据图像界面进行骨折复位路径规划，远程工作站根据路径规划结果计算得到机器人控制量并发送给骨折复位机器人，骨折复位机器人根据接收到的控制量完成相应运动。
本发明系统各部件实现方式如下：
所述手术图像采集设备，可为任意常规图像采集设备，如C型臂，G型臂，用于采集骨折处的正位透视图像和侧位透视图像；本实施例采用的是北京东方Whale公司的BELUGAG型臂。
所述骨折复位机器人机器人需要有6个自由度，对机器人具体型号无要求；本实施例中是一个Stewart平台，用于移动骨折肢体进行复位操作。
所述远程工作站包括：工作站主机(对型号无特别要求，本实施例的工作站主机型号为MSI GE62 2QF)，显示器，键盘和鼠标；远程工作站安装有用于医生进行手术的规划复位路径的图形界面和骨折复位机器人的控制程序，用于计算机器人控制量。
所述远程控制工作站上安装有用于医生进行手术的规划复位路径的图形界面，其特征在于，该界面包含以下内容：
1)透视图像显示区，用于显示手术中通过手术图像采集设备实时采集到的正位透视图像和侧位透视图像。
2)路径规划相关标志线段和箭头，显示在每张透视图像上的相应位置；本实施例中规划复位路径图形界面如图1所示，路径规划相关标志线段包括：计算机分析得到的“代表固定端骨头中线的线段”(如图1中的线段a1、a2)，计算机分析得到的“代表移动端骨头中线的线段”(如图1中的线段b1、b2)，“代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段”(如图1中的线段c1、c2)，以及“代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头”(如图1所示的“区域3”中的双向箭头)。关于移动端和固定端的说明：骨折复位的操作是将骨折处一端的肢体与手术床固定，称为固定端，另一端与机器人固定，随机器人的移动而移动，称为移动端。
3)路径规划相关按钮，包括位于透视图像显示区的正位图像下方和侧位图像下方各六个按钮，分别代表“向上移动”，“向下移动”，“向左移动”，“向右移动”，“顺时针转动”，“逆时针转动”，如图1所示的“区域1”中的按钮，这些按钮被按下后，所述“代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段”的位置会按照按钮对应的方向进行平移或转动；还包括位于“代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头”下方的两个按钮，分别代表“顺时针转动”和“逆时针转动”，如图1所示的“区域2”中的按钮，这些按钮被按下后，“代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头”会按照按钮对应的方向进行旋转。
4)“Reset”按钮，被按下后，路径规划相关标志线段和箭头回到初始位置，即“代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段”回到和“代表移动端骨头中线的线段”重合的位置，“代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头”回到竖直位置。
5)“Flip”按钮，被按下后，“代表移动端骨头中线的线段”和“代表移动端骨头的中线的线段”的位置进行互换；该功能用于在计算机错误地将固定端识别为移动端，将移动端识别为固定端时。
6)“Run”按钮，被按下后，工作站主机按照如下方法计算出控制误差e，并将该控制误差发送给远程控制工作站中的机器人控制程序，用于计算机器人的控制量。令当前图形界面中正位透视图像中“代表固定端骨头中线的线段”的斜率为k1，其靠近骨折断端一侧的端点的像素坐标为(x1,y1)，“代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段”的斜率为其靠近骨折断端一侧的端点的像素坐标为侧位透视图像中“代表固定端骨头中线的线段”的斜率为k2，其靠近骨折断端一侧的端点的像素坐标为(x2,y2)，“代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段”的斜率为其靠近骨折断端一侧的端点的像素坐标为“代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头”和竖直方向的夹角为α。控制误差e的计算表达式为：
上述图形界面本领域技术人员通过编程即可实现。
本发明提出的一种基于上述远程操控的骨折复位手术机器人系统的复位控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
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，通过有线或无线方式传递到远程控制工作站上，远程控制工作站生成相应的用于医生进行手术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，则骨折复位过程结束；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(r为矢量)，表达式如下：
其中，控制量r为Stewart平台中六个杆的杆长改变量，为矢量；kP,kI,kD分别为视觉伺服控制律的比例系数、积分系数、微分系数，需根据具体的机器人系统进行整定；J为雅克比矩阵，通过卡尔曼滤波在线估计方法得到；∫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)，循环上述过程。
Claims (4)
1.一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。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述规划复位路径的图形界面包含以下内容：
1)透视图像显示区，用于显示手术中通过手术图像采集设备实时采集到的正位透视图像和侧位透视图像；
2)路径规划相关标志线段和箭头，显示在每张透视图像上的相应位置，包括：代表固定端骨头中线的线段，代表移动端骨头中线的线段，代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段，以及代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头；
3)路径规划相关按钮：包括位于透视图像显示区的正位图像下方和侧位图像下方各六个按钮，分别代表向上移动、向下移动、向左移动、向右移动、顺时针转动和逆时针转动，按下后，所述代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段的位置会按照按钮对应的方向进行平移或转动；还包括位于代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头下方的两个按钮，分别代表顺时针转动和逆时针转动，按下后，代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头会按照按钮对应的方向进行旋转；
4)Reset按钮，按下后，路径规划相关标志线段和箭头回到初始位置，即代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段回到和代表移动端骨头中线的线段重合的位置，代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头回到竖直位置；
5)Flip按钮，按下后，代表移动端骨头中线的线段和代表移动端骨头的中线的线段的位置进行互换；
6)Run按钮，按下后，计算得到控制误差e，并将该控制误差发送给远程控制工作站中的机器人控制程序。
3.一种基于如权利要求1所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；kP,kI,kD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)。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制误差e计算方法如下：
令图形界面中正位透视图像中代表固定端骨头中线的线段的斜率为k1，其靠近骨折断端一侧的端点的像素坐标为(x1,y1)，代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段的斜率为其靠近骨折断端一侧的端点的像素坐标为侧位透视图像中代表固定端骨头中线的线段的斜率为k2，其靠近骨折断端一侧的端点的像素坐标为(x2,y2)，代表机器人运动后移动端骨头的中线将到达的位置的线段的斜率为其靠近骨折断端一侧的端点的像素坐标为代表机器人运动后移动端沿骨头轴线转动角度的双向箭头和竖直方向的夹角为α；则控制误差e的计算表达式为：
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