CN109771196A - 一种骨折复位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种骨折复位系统及方法，其涉及骨科治疗设备领域。旨在解决传统的骨折复位系统，手术过程中使用X射线持续对患者进行拍照，大大增加了患者辐射损伤的问题.其技术方案要点骨折复位机器人；与所述骨折复位机器人配合的手术床；用于实时标定患者伤处的定位系统，所述定位系统包括G型臂X光机和两个高清摄像机；以及，承载于所述骨折复位机器人与定位系统之间的计算机操作系统，所述计算机操作系统用于计算规划所述骨折复位机器人的复位路径。本发明能够避免患者持续受到X光的射线辐射，减少患者受到的辐射损伤；同时手术床与骨折复位机器人配合，能够提高患者手术时躺卧的舒适可靠性。

Description

一种骨折复位系统及方法

技术领域

本发明涉及骨科治疗设备领域，更具体地说，它涉及一种骨折复位系统及方法。

背景技术

传统的长骨骨折复位方法是在直视环境下，医生凭借经验和技巧切开复位，但是切开复位方法容易破坏骨折周围的血云和软组织，出血多、易感染。

现有公告号为CN104055563B的中国专利，公开了一种骨科机器人及智能复位系统，其中智能复位系统包括骨科机器人、影响系统和控制台，影响系统用于通过X射线对患肢进行拍照，以获取患肢的骨折部位的图像信息。

但是，手术过程中使用X射线持续对患者进行拍照，大大增加了患者的辐射损伤。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种骨折复位系统，其具有降低患者手术过程中辐射损伤的优势。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种骨折复位系统，包括：

骨折复位机器人；

与所述骨折复位机器人配合的手术床；

用于实时标定患者伤处的定位系统，所述定位系统包括G型臂X光机和两个高清摄像机；以及，

承载于所述骨折复位机器人与定位系统之间的计算机操作系统，所述计算机操作系统用于计算规划所述骨折复位机器人的复位路径。

进一步地，所述骨折复位机器人包括远端支架和远端骨外固定环，所述远端支架与远端骨外固定环之间设置有六个伺服电动推杆；

所述伺服电动推杆一端与所述远端支架通过万向铰连接，另一端与所述远端骨外固定环通过虎克铰可拆卸连接；

所述骨折复位机器人还包括与所述伺服电动推杆连接的控制处理器。

进一步地，所述控制处理器通过PID控制和力反馈方式控制六个所述伺服电动推杆。

进一步地，所述控制处理器通过PID模糊控制和力反馈方式控制六个所述伺服电动推杆。

进一步地，所述控制处理器包括记忆和学习模块。

进一步地，所述控制处理器包括部件自诊断模块和系统诊断模块。

进一步地，所述手术床包括：

床体，所述床体底部设置有若干升降支脚组件；

承载于所述床体的固定组件，所述固定组件能够相对于所述床体滑动；以及，

承载于所述床体的止血支撑组件；

其中，所述固定组件包括近端骨外固定环。

本发明的另一目的在于提供一种应用上述骨折复位系统的骨折复位方法，其具有降低患者手术过程中辐射损伤的优势。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种应用上述骨折复位系统的骨折复位方法，包括以下步骤：

S100，将患者放置在手术床上，通过固定组件将患者固定起来，并利用止血支撑组件进行止血；

S200，用骨针将固定组件和骨折近端固定，将远端骨外固定环和骨折远端固定；

S300，用G型臂X光机拍摄患者正位和侧位的两张X光片，使用计算机操作系统对拍摄好的两张X光片进行位姿解算，得到远端骨外固定环与骨折端的位姿转移矩阵，然后计算出复位路径；

S400，将远端骨外固定环与伺服电动推杆连接；

S500，通过PID控制和力反馈方式控制六个伺服电动推杆，根据规划好的复位路径进行伸缩，带动骨折处运动从而实现骨折复位；复位过程中，通过位于手术室内的两台高清摄像机对远端骨外固定环进行实时拍摄标定，根据远端骨外固定环和骨针的位置进行坐标变换解算出断骨截面的位置，能够实时地监控骨折远端和近端的相对位置，从而指导骨折复位机器人完成对复位路径的跟随；

S600，复位完成后，将近端骨外固定环和远端骨外固定环用六个可伸缩的连杆进行连接，并将远端骨外固定环与伺服电动推杆的连接断开。

进一步地，在步骤S500中，通过力反馈方式检测远端骨外固定环运动中受到的阻力大小，若超出预计值则重新规划局部复位路径。

进一步地，在步骤S500中，控制处理器通过记忆和学习模块，在手术过程中将每次的骨折情况和复位路径记忆下来，并进行学习。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、采用了G型臂X光机与两台高清摄像机组成的定位系统，G型臂C光机用于术前，两台高清摄像机用于术中，从而能够减少患者辐射损伤的效果；

2、采用了手术床，从而产生提高患者手术时躺卧舒适性的效果。

附图说明

图1为实施例1中一种骨折复位系统的整体结构示意图；

图2为实施例1中骨折复位机器人的结构示意图；

图3为实施例1中手术床的结构示意图；

图4为实施例1中固定组件的局部爆炸示意图。

图中：1、骨折复位机器人；11、控制处理器；12、机器人底座；13、定位板；14、远端支架；15、伺服电动推杆；16、远端骨外固定环；2、计算机操作系统；3、手术床；31、床体；32、定位孔；33、支撑板；34、支脚；341、第二限位孔；35、固定脚套；351、第一限位孔；352、限位螺栓；4、高清摄像机；51、近端骨外固定环；511、固定支板；512、第一支孔；52、固定支架；521、固定卡槽；522、第二支孔；523、固定螺栓组件；61、辅助支架；62、辅助环；63、辅助带；64、止血环；71、滑轨支座；72、滑轨；73、定位螺栓。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

实施例1：

一种骨折复位系统，参照图1，其包括骨折复位机器人1、定位系统、计算机操作系统2和手术床3；定位系统包括G型臂X光机和两个高清摄像机4，其中G型臂X光机附图中未示出；骨折复位机器人1上设置有控制处理器11，高清摄像机4和控制处理器11与计算机控制系统2均通过无线连接。

参照图2，骨折复位机器人1包括远端支架14和远端骨外固定环16，远端支架14与远端骨外固定环16之间连接有六个伺服电动推杆15；本实施例中远端支架14呈六边形，且六个伺服电动推杆15分别位于其顶角处；伺服电动推杆15一端与远端支架14通过万向铰连接，另一端与远端骨外固定环16通过虎克铰连接，且远端骨外固定环16与虎克铰为可拆卸连接，其中万向铰和虎克铰本附图中未示出；远端支架14底部设置有定位板13，定位板13设置在机器人底座12上；本实施例中控制处理器11设置在机器人底座12上，且与伺服电动推杆15连接。

参照图3，手术床3包括床体31，床体31上设置有固定组件和止血支撑组件；床体31底部均布设置有四个升降支脚组件，升降支脚组件包括与床体31底壁固定连接的支脚34，以及套设在支脚34上的固定脚套35；固定脚套35能够相对于支脚34移动，从而能够调节床体31的高度。

参照图3，固定脚套35和支脚34之间设置有限位装置，限位装置包括限位螺栓352；固定脚套35和支脚34上分别开设有若干相对的第一限位孔351和第二限位孔341，限位螺栓352穿过第一限位孔351后，嵌入第二限位孔341内，从而能够限定固定脚套35与支脚34的相对位置；限位螺栓352与第二限位孔341可以为螺栓连接，从而能够提高限位的稳固性。

参照图3，固定组件与床体31之间设置有滑轨组件，则固定组件能够相对于床体31移动，方便调节固定组件的位置；固定组件包括固定支架52，固定支架52远离床体31的一端设置有近端骨外固定环51。

参照图3，滑轨组件包括与床体31连接的滑轨72，以及与滑轨72配合的滑轨支架71，滑轨支座71与固定支架52底端固定连接；本实施例中滑轨组件与床体31通过定位螺栓73连接，且床体3上均布开设有若干与定位螺栓73配合的定位孔33；通过若干定位孔33能够调节滑轨组件与床体31的相对位置，从而能够进一步调节固定组件的位置。

参照图3，止血支撑组件包括辅助支架61，辅助支架61呈倒U型，且床体31侧壁凸出设置有与辅助支架61底端连接的支撑板33；辅助支架61上套设有辅助环62，辅助环62连接有辅助带63，辅助带63远离辅助环62的一端连接有止血环64；本实施例中辅助环62能够相对于辅助支架61滑动，从而能够根据近端骨外固定环51的位置对止血环64进行调节。

参照图3，止血环63内设置有能够充压的气囊(本附图中未示出)，本实施例中的气囊能够显示气压，将患处穿过止血环64，对气囊进行充气增压能够起到止血的作用；同时，止血环64能够起到柔性支撑的作用，能够提高病人手术时躺卧的舒适可靠性。

参照图4，本实施例中近端骨外固定环51与固定支架52通过固定螺栓组件523连接，近端骨外固定环51外侧壁对称延伸设置有固定支板511；固定支板511和固定支架52上分别开设有若干与固定螺栓组件523配合的第一支孔512和第二支孔522；若干第一支孔512和第二支孔522配合，能够方便调节近端骨外固定环51与固定支架52的相对位置。

参照图4，固定支架52上开设有与固定支板511配合的固定卡槽521，固定支板511嵌设于固定卡槽521内，能够提高近端骨外固定环51与固定支架52连接的稳定性。

实施例2：

一种应用上述骨折复位系统的骨折复位方法，包括以下步骤：

S100，将患者放置在手术床上，通过固定组件将患者骨折处固定起来，并利用止血支撑组件进行止血。

S200，用骨针将固定组件和骨折近端固定，将远端骨外固定环和骨折远端固定。

S300，用G型臂X光机拍摄患者正位和侧位的两张X光片，使用计算机操作系统对拍摄好的两张X光片进行位姿解算，得到远端骨外固定环与骨折端的位姿转移矩阵，然后计算出复位路径。

在手术时，近端骨外固定环和远端骨外固定环之间无任何连杆相连，在获取患处正侧位X光图像时，不会因为连杆影响医生对患者病情的判断，可以更精确的解算位姿；同时，在对患肢进行固定的时候也不受患肢形态的影响，不需要医生进行初步调整就能够进行固定、复位。

S400，将远端骨外固定环与伺服电动推杆连接。

S500，通过PID控制和力反馈方式控制六个伺服电动推杆，根据规划好的复位路径进行伸缩，带动骨折处运动从而实现骨折复位；复位过程中，通过位于手术室内的两台高清摄像机对远端骨外固定环进行实时拍摄标定，根据远端骨外固定环和骨针的位置进行坐标变换解算出断骨截面的位置，能够实时地监控骨折远端和近端的相对位置，从而指导骨折复位机器人完成对复位路径的跟随。

由于肌张力，远端骨外固定环在运动时会受到阻力；通过力反馈方式检测远端骨外固定环运动中受到的阻力大小，若超出预计值则重新规划局部复位路径，以免对骨折处的组织造成二次伤害。

控制处理器除了接收计算机操作系统发出的复位指令，还会接收到一些其他信息，比如患者骨折情况、医生的指导信息等；控制处理器通过记忆和学习模块，在手术过程中将每次的骨折情况和复位路径记忆下来，并进行学习，能够增加骨折复位机器人自身的自主性；当下次遇到相同骨折时，医生无需再重新规划复位路径，只需要确认执行骨折复位机器人的请求命令即可。计算机操作系统与控制处理器通过无线传输信息，执行过程中骨折复位机器人的操作会实时反馈到计算机操作系统中。

关于骨折复位机器人的学习，首先需要在计算机操作系统中建立一个骨折信息库，用于收集患者的骨折状况等信息；患者骨折处的影响报告数据传递到计算机操作系统中，计算机操作系统对这些数据进行分类、聚类和关联分析，然后利用计算机操作系统对骨折复位机器人进行训练，从训练集中学习获得数据间的相互关系。

从各个模态的影响数据中提取和选择相关的固有特征，使用分类算法构建分类器，进行诊断分类和转化预测。

在此过程中，数据被分为独立的训练集和测试集，训练集用于分类算法的学习过程，测试集用于估算训练集分类算法的表现。

在训练中，机器人根据影响报告进行特征点的提取，然后建立一个模型，骨折复位机器人会预设一个基础算法，训练后会自动生成一个复位路径。由于骨折种类多样，不同情况之间差别有可能很大，因此进行路径训练时，需要选择相近或相似的骨折数据对应的路劲进行学习预测。

当计算机操作系统进行复位路径规划时，骨折复位机器人会进行跟踪和模拟学习，将数据与路径进行相应匹配，复位路径设计完成后骨折复位机器人在医生监督下按照路径进行复位。若手术过程中需要对复位路径进行调整，骨折复位机器人则会对当前改动的路径进行记忆并替换原来学习的不正确路径，同时会对基础算法进行调整，每当一个病人完成手术，骨折复位机器人会根据术前数据与术后数据进行对比，从而进行强化学习。

通过两台高清摄像机对远端骨外固定环进行实时拍摄标定时，需要在远端骨外固定环上至少三个不同位置进行标定，然后高清摄像机识别出这几个标定的点就能够确定远端骨外固定环的位置。

对于空间中的一点P，在一台高清摄像机S1的拍摄下对应的图像上的点为P1，我们无法根据P1点得出P点的实际位置，因为高清摄像机S1与P点相连接的直线上所有点在图像上的投影都是P1点，因此，我们只能确定这个点处于一条直线上，无法得到该点具体位置。如果我们再加一台高清摄像机S2同时来观察P点，高清摄像机S2与P点相连接的直线上所有点在图像上的投影都是P2点，那么P点在P1与P2的交点位置，这样空间点的信息就能唯一确定。

利用两台高清摄像机标定患处的点包括两个步骤，首先用张正友棋盘格分别标定两个高清摄像机得到它们的内参数，然后求出它们的相对位置关系。两台高清摄像机标定好后就可以进行手术。高清摄像机每次拍摄结果都与前一次进行比对，可以计算出远端骨外固定环的运动路径，再根据术前X光影响确定好的远端骨外固定环和骨头的相对位置可以计算出此时患者断骨的相对位置，就能够实时地监控骨折远端和近端的相对位置，从而指导骨折复位机器人完成对复位路径的跟随。

本实施例中，骨折复位机器人还会执行故障诊断，具体包括部件自诊断和系统诊断。部件自诊断，即接通电源后，通过自诊断程序和位置传感器，对系统内部各主要功能电路或功能块及接口装置做功能检测，记录伺服电动推杆的初始位置及姿态，判断骨折复位机器人的形成是否达到限位、极限位及出现异常位置，判断骨折复位机器人控制处理器各电路检测模块是否异常。通过自检程序给各模块发送检测信号，看是否能够反馈回正常的信号，如果位姿信号和各模块电路信号出现异常，骨折复位机器人将不能进入正常工作状态，需要医生手动解除故障。

部件自诊断是为了及早发现故障，以便用户使用前排出故障，为正常使用骨折复位机器人做准备。

系统诊断是在工作过程中，一旦检测出故障，就中断相关作业，进入中断工作状态，在保证患者安全的状态下降骨折复位机器人撤出，对故障做出判断，最后记录或输出判断结果(如错误代码等消息)，以便医生采取相应的故障处理对策，保证手术过程的安全。

S600，复位完成后，将近端骨外固定环和远端骨外固定环用六个可伸缩的连杆进行连接，并将远端骨外固定环与伺服电动推杆的连接断开。

由于骨折发生原因的随机性很大，骨折断面的形状也多种多样，骨折断面的类型大致可以分为一般性骨折、楔形骨折、粉碎性骨折和爆裂性骨折，本发明针对一般性骨折和楔形骨骨折。通过患者的X光片可以基本确定患者骨折的程度和类型，通过模式识别来根据患者的骨折类型制定不同的的复位策略，规划不同的复位路径，减少复位过程中的二次损伤。

实施例3：

以实施例2为基础，本实施例与实施例2的区别在于：在步骤S500中，需要通过CT断层扫描采集患者患处的CT影像，通过软件将患者的CT影像重构成骨折的三维模型。在手术过程中，通过G型臂X光机间隔拍摄患者的患处正侧位影像，实时解算远端骨外固定环与骨头的相对位姿，并将骨折的复位信息实时反映在骨折三维模型中。通过间隔拍摄的X光图像精度高，医生可以通过生成患者骨折处的三维模型，来实时监控骨折的复位情况。

CT扫描结果得到的是一组二维断层图像,再由这一组二维断层图像通过配准、插值、滤波、绘制等图像处理措施重建出骨骼的三维图像。

首先进行图像的配准。图像输入到计算机操作系统的时候，因为周围环境的影响,或人为操作的误差,使图像歪斜，因此首先进行图像的配准。配准是指对于一幅医学图像寻求一种或一系列空间变换,使它与另一幅医学图像上的对应点达到空间上的匹配。对图片进行平移、旋转等矫正措施，使两幅图像上所有的解剖点都达到匹配。

接下来进行图像的差值。医学影像设备所产生的三维数据都是各向异性的断层图像数据，断层图像之间的距离大于断层图像中象素点之间的距离。要利用医学影像设备获得的异分辨率断层图像数据,按照断层图像中象素点间距离,插值出同分辨率的新的三维断层图像数据。

最后利用面绘制法绘制三维模型。首先在三维空间数据场中构造出中间几何图元,然后再用传统的计算机图形学技术实现画面绘制。将每层图像的轮廓提取出来，然后用以轮廓线点为顶点的三角形将每层的轮廓线连接起来,用三角形填充形成物体的表面，从而建立骨骼的三维模型。

Claims (10)

1.一种骨折复位系统，其特征在于：包括：

骨折复位机器人(1)；

与所述骨折复位机器人(1)配合的手术床(3)；

用于实时标定患者伤处的定位系统，所述定位系统包括G型臂X光机和两个高清摄像机(4)；以及，

承载于所述骨折复位机器人(1)与定位系统之间的计算机操作系统(2)，所述计算机操作系统(2)用于计算规划所述骨折复位机器人(1)的复位路径。

2.根据权利要求1所述的骨折复位系统，其特征在于：所述骨折复位机器人(1)包括远端支架(14)和远端骨外固定环(16)，所述远端支架(14)与远端骨外固定环(16)之间设置有六个伺服电动推杆(15)；

所述伺服电动推杆(15)一端与所述远端支架(14)通过万向铰连接，另一端与所述远端骨外固定环(16)通过虎克铰可拆卸连接；

所述骨折复位机器人(1)还包括与所述伺服电动推杆(15)连接的控制处理器(11)。

3.根据权利要求2所述的骨折复位系统，其特征在于：所述控制处理器(11)通过PID控制和力反馈方式控制六个所述伺服电动推杆(15)。

4.根据权利要求3所述的骨折复位系统，其特征在于：所述控制处理器(11)通过PID模糊控制和力反馈方式控制六个所述伺服电动推杆(15)。

5.根据权利要求3所述的骨折复位系统，其特征在于：所述控制处理器(11)包括记忆和学习模块。

6.根据权利要求2所述的骨折复位系统，其特征在于：所述控制处理器(11)包括部件自诊断模块和系统诊断模块。

7.根据权利要求5所述的骨折复位系统，其特征在于：所述手术床(3)包括：

床体(31)，所述床体(31)底部设置有若干升降支脚组件；

承载于所述床体(31)的固定组件，所述固定组件能够相对于所述床体(31)滑动；以及，

承载于所述床体(31)的止血支撑组件；

其中，所述固定组件包括近端骨外固定环(51)。

8.一种应用权利要求7所述的骨折复位系统的骨折复位方法，其特征在于：包括以下步骤：

S100，将患者放置在手术床上，通过固定组件将患者固定起来，并利用止血支撑组件进行止血；

S200，用骨针将固定组件和骨折近端固定，将远端骨外固定环和骨折远端固定；

S300，用G型臂X光机拍摄患者正位和侧位的两张X光片，使用计算机操作系统对拍摄好的两张X光片进行位姿解算，得到远端骨外固定环与骨折端的位姿转移矩阵，然后计算出复位路径；

S400，将远端骨外固定环与伺服电动推杆连接；

S500，通过PID控制和力反馈方式控制六个伺服电动推杆，根据规划好的复位路径进行伸缩，带动骨折处运动从而实现骨折复位；复位过程中，通过位于手术室内的两台高清摄像机对远端骨外固定环进行实时拍摄标定，根据远端骨外固定环和骨针的位置进行坐标变换解算出断骨截面的位置，能够实时地监控骨折远端和近端的相对位置，从而指导骨折复位机器人完成对复位路径的跟随；

S600，复位完成后，将近端骨外固定环和远端骨外固定环用六个可伸缩的连杆进行连接，并将远端骨外固定环与伺服电动推杆的连接断开。

9.根据权利要求8所述的骨折复位方法，其特征在于：在步骤S500中，通过力反馈方式检测远端骨外固定环运动中受到的阻力大小，若超出预计值则重新规划局部复位路径。

10.根据权利要求8所述的骨折复位方法，其特征在于：在步骤S500中，控制处理器通过记忆和学习模块，在手术过程中将每次的骨折情况和复位路径记忆下来，并进行学习。