CN111297463A - 一种骨骼复位系统及骨骼复位实验系统 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供了一种骨骼复位系统及骨骼复位实验系统，骨骼复位系统包括：固定装置、机械臂、骨骼定位装置和控制器；固定装置，用于固定第一目标体；机械臂，用于固定第二目标体，并响应于控制器的控制，拉伸固定在机械臂上的第二目标体；骨骼定位装置，包括设置在第一目标体上的第一定位组件和设置在第二目标体上的第二定位组件，用于向控制器反馈确定的第一目标体和第二目标体的位置；控制器，用于根据第一目标体和第二目标体的位置确定第二目标体的运动轨迹，并控制机械臂按照运动轨迹运动。本公开实施例的骨骼复位系统不依赖于医生经验，复位成功率极高，避免了患者的骨骼二次复位，为骨骼复位手术提供了可靠的医疗器械。

Description

一种骨骼复位系统及骨骼复位实验系统

技术领域

本公开涉及医疗器械领域，特别涉及一种骨骼复位系统及骨骼复位实验系统。

背景技术

随着机器人技术的发展，机器人相关的手术设备应用也越来越广泛。然而在骨科手术中，关节置换的磨削型机器人较为普遍，可是对于骨折等骨头复位技术却全凭借医生人工操作，即在通过X光片确认骨折位置及复位方案后，需要医生徒手将断裂的骨头复位至原处，再打石膏固定，以避免骨头再次移位，严重的还可能需要对断裂的骨头打钉。

在对骨头进行复位时，患者骨折后由于疼痛人体肌肉会拉紧，需要借助很大的拉伸力才能拉开两段断骨，对医生的力气具有较大考验。由此可见，现有骨头复位技术需要医生具有较多的经验，否则极容易复位不好，导致后续进行骨头二次复位，使患者遭受较大痛苦。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提出了一种骨骼复位系统及骨骼复位实验系统，用以解决现有技术的如下问题：现有骨头复位技术需要医生具有较多的经验，否则极容易复位不好，导致后续进行骨头二次复位，使患者遭受较大痛苦。

一方面，本公开实施例提出了一种骨骼复位系统，包括：固定装置、机械臂、骨骼定位装置和控制器；所述固定装置，用于固定第一目标体；所述机械臂，用于固定第二目标体，并响应于所述控制器的控制，拉伸固定在所述机械臂上的所述第二目标体；所述骨骼定位装置，包括设置在所述第一目标体上的第一定位组件和设置在所述第二目标体上的第二定位组件，用于向所述控制器反馈确定的所述第一目标体和所述第二目标体的位置；控制器，用于根据所述第一目标体和所述第二目标体的位置确定所述第二目标体的运动轨迹，并控制所述机械臂按照所述运动轨迹运动。

在一些实施例中，所述控制器，具体用于：在第一目标体和第二目标体在空间上存在骨骼错位区域时，控制机械臂按照预定拉力值拉伸所述第二目标体远离所述第一目标体；在第一目标体和第二目标体在空间上不存在骨骼错位区域时，根据所述第一目标体和所述第二目标体的位置确定所述第二目标体的运动轨迹，并控制所述机械臂按照所述运动轨迹运动。

在一些实施例中，所述骨骼定位装置还包括：光学接收器，用于向所述第一定位组件和所述第二定位组件发出光信号，并接收所述第一定位组件和所述第二定位组件返回的光反馈信号，以根据所述光反馈信号确定所述第一目标体和所述第二目标体的位置。

在一些实施例中，所述第一定位组件至少包括一个或多个NDI光学导航小球，所述第二定位组件至少包括一个或多个NDI光学导航小球。

在一些实施例中，所述机械臂为具有预定自由度串联机器人，其中，所述预定自由度不小于6自由度。

在一些实施例中，所述控制器，还用于根据第一目标体和第二目标体的医学影像数据构建第一目标体和第二目标体当前的骨骼仿真模型，并根据所述第一目标体和所述第二目标体的位置实时调整所述骨骼仿真模型的当前状态；显示器，用于显示所述骨骼仿真模型。

在一些实施例中，控制器，具体用于：以所述固定装置和所述机械臂所在空间建立空间直角坐标系，将所述光学接收器的位置转换至所述空间直角坐标系中，根据所述第一定位组件和所述第二定位组件的初始位置、所述第一目标体和所述第二目标体的医学影像数据在所述空间直角坐标系中构建第一目标体和第二目标体当前的骨骼仿真模型；根据所述光学接收器的位置将测量得到的所述第一目标体和所述第二目标体的位置转换至所述空间直角坐标系中，以根据所述第一目标体和所述第二目标体的位置实时调整所述骨骼仿真模型的当前状态。

在一些实施例中，所述控制器，包括：控制摇杆，与所述机械臂连接，用于通过杠杆原理控制所述机械臂按照所述预定轨迹运动。

另一方面，本公开实施例提出了一种骨骼复位实验系统，包括：本公开任一实施例所述的骨骼复位系统；摄像机组，包括两个照相机，两个照相机分别用于拍摄第一方向与第二方向上的处于断裂状态的目标体的照片，其中，所述第一方向与第二方向垂直。

在一些实施例中，所述处于断裂状态的目标体为非金属材料。

本公开实施例在两部分目标体上分别设置了定位装置，并通过固定装置和机械臂分别固定住每一部分目标体，在医生通过X光片确定了骨折位置及复位方案后，就可以通过骨骼定位装置反馈的目标体的位置控制机械臂按照一个精确的运动轨迹运动，进而通过精确的控制方式将患者的骨骼进行复位，该骨骼复位系统不依赖于医生经验，复位成功率极高，避免了患者的骨骼二次复位，为骨骼复位手术提供了可靠的医疗器械。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开第一实施例提供的骨骼复位系统的系统架构图一；

图2为本公开第一实施例提供的骨骼复位系统的系统架构图二；

图3为本公开第二实施例提供的骨骼复位实验系统的系统架构图。

附图标记：

1-摄像机组，2-机械臂，3-骨骼定位装置，4-控制器，5-第一目标体，6-第二目标体，7-显示器，31-第一定位组件，32-第二定位组件，33-光学接收器。

具体实施方式

为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。

本公开第一实施例提供了一种骨骼复位系统，该系统的系统架构如图1所示，包括：

固定装置(图中未示出，具有夹持功效的装置都可以)、机械臂2、骨骼定位装置3和控制器4；

固定装置，用于固定第一目标体5；

机械臂2，用于固定第二目标体6，并响应于控制器的控制，拉伸固定在机械臂上的第二目标体；

骨骼定位装置3，包括设置在第一目标体上的第一定位组件31和设置在第二目标体上的第二定位组件32，用于向控制器反馈确定的第一目标体和第二目标体的位置；

控制器4，用于根据第一目标体和第二目标体的位置确定第二目标体的运动轨迹，并控制机械臂按照运动轨迹运动。

图1中的控制器并未与机械臂电连接，在实际使用时，需要通过电线或无线方式与机械臂实现连接；包括图1及后续任何附图，其连接方式及部件式样都仅为一个示例，不对本公开实施例构成任何限定。

上述第一目标体和第二目标体在临床阶段为患者处于断裂状态的两部分骨骼，第一定位组件和第二定位组件分别设置在断裂的两部分骨骼上，设置时，第一定位组件和第二定位组件可以以针插的方式插入患者骨骼以进行固定。

本公开实施例在两部分目标体上分别设置了定位装置，并通过固定装置和机械臂分别固定住每一部分目标体，在医生通过X光片确定了骨折位置及复位方案后，就可以通过骨骼定位装置反馈的目标体的位置控制机械臂按照一个精确的运动轨迹运动，进而通过精确的控制方式将患者的骨骼进行复位，该骨骼复位系统不依赖于医生经验，复位成功率极高，避免了患者的骨骼二次复位，为骨骼复位手术提供了可靠的医疗器械。

患者骨折后由于疼痛人体肌肉会拉紧，需要借助一定的拉伸力才能拉开两段断骨，现有技术中通常为医务人员进行拉伸，该拉伸力相当于20-50公斤的重物，对医务人员来说是非常辛苦的。基于上述考虑，本公开实施例骨骼复位系统的控制器具体可以用于：在第一目标体和第二目标体在空间上存在骨骼错位区域时，控制机械臂按照预定拉力值拉伸第二目标体远离第一目标体；在第一目标体和第二目标体在空间上不存在骨骼错位区域时，根据第一目标体和第二目标体的位置确定第二目标体的运动轨迹，并控制机械臂按照运动轨迹运动。

实现时，如果X光片拍摄(也可以是其它任何能够知晓目标体位置关系的方式)得到的照片中断裂的骨骼之间是错位关系，即一部分骨骼超过了另一部骨骼骨折(骨裂等)位置的边界线，则就可以确定存在骨骼错位区域，此时说明肌肉处于拉紧状态，就需要一定的拉力来讲拉紧状态的肌肉松弛，就可以控制机械臂按照一定的拉力值拉伸第二目标体，进而远离第一目标体。在第一目标体和第二目标体在空间上不存在骨骼错位区域时，或者，第二目标体已经被拉伸至与第一目标体不存在骨骼错位区域时，就可以根据第一目标体和第二目标体的位置确定第二目标体的运动轨迹，并控制机械臂按照运动轨迹运动。

如图2所示，上述骨骼定位装置3还可以包括：光学接收器33，用于向第一定位组件和第二定位组件发出光信号，并接收第一定位组件和第二定位组件返回的光反馈信号，以根据光反馈信号确定第一目标体和第二目标体的位置。相对应的，第一定位组件和第二定位组件可以为NDI光学导航小球，即第一定位组件至少包括一个或多个NDI光学导航小球，第二定位组件至少包括一个或多个NDI光学导航小球。光学接收器可以发出激光，通过光学小球的反射，再接收激光，由此来计算小球的位置。一般在测量处同时布置3至4个反射小球，用来确定小球空间的位置和方向。

对于机械臂而言，可以采用现有技术中较为成熟的串联机器人，但串联机器人的自由度须有较高配置，自由度不小于6自由度。通常情况下，机械臂一般为6至7自由度串联型机器人，主要是对位置和力的控制较好。位置控制就是将两部分骨骼对齐，由于机械臂的关节数较多，可以提供空间内任意位置的移动。力控制在实际场景的骨折复位手术上有运用，比如患者骨折后由于疼痛人体肌肉会拉紧，需要借助一定的拉伸力才能拉开两段断骨，而机械臂正是提供这种拉伸力。

在对机械臂进行控制时，可以是医生根据骨骼定位装置反馈的骨骼位置来控制机械臂按照设定好的运动轨迹运动，也可以是通过对断裂的骨骼进行骨骼建模，通过显示器上显示的不断变化的骨骼仿真模型来控制机械臂的运动，当然，此种方式可以实现机械臂的自动控制，而不仅局限于医生的手动控制。

为了实现机械臂的自动控制，控制器还用于根据第一目标体和第二目标体的医学影像数据构建第一目标体和第二目标体当前的骨骼仿真模型，并根据第一目标体和第二目标体的位置实时调整骨骼仿真模型的当前状态；如图2所示，系统还包括显示器7，用于显示骨骼仿真模型。

上述控制器具体用于：以固定装置和机械臂所在空间建立空间直角坐标系，将光学接收器的位置转换至空间直角坐标系中，根据第一定位组件和第二定位组件的初始位置、第一目标体和第二目标体的医学影像数据在空间直角坐标系中构建第一目标体和第二目标体当前的骨骼仿真模型；根据光学接收器的位置将测量得到的第一目标体和第二目标体的位置转换至空间直角坐标系中，以根据第一目标体和第二目标体的位置实时调整骨骼仿真模型的当前状态。

系统中的机械臂、骨骼定位装置等各有自己的坐标系，由于要实现自动控制，需要将其统一到一个坐标系下，即将骨骼的坐标系，机械臂坐标系通过机械对齐的方法来实现，在各自的底座或者支撑位置对齐坐标系方向，然后测量出各个坐标系间隔的x/y/z值，确立坐标系变换关系。骨骼定位装置与机械臂的配准，可通位测量多个机械臂末端姿态的方法计算出坐标系变换关系。坐标系配准的方法多种多样，可采用现有技术进行配准，此处不再赘述。

在医生进行手动控制时，为了方便操作，控制器可以包括一个控制摇杆，与机械臂连接，用于通过杠杆原理控制机械臂按照预定轨迹运动，来用最小的力实现最大的控制。

骨骼复位系统作为一种手术设备，其在前期需要大量的实验验证来验证骨骼复位系统的可行性。对于骨科复位手术，一般在动物关节部位或者涂有铅粉的骨骼模型上做验证，然后用X光拍摄，但是X光设备的成本较高，而且需要建立专门的仿辐射封闭实验室，投入成本较高；而且，采用动物关节部位做实验需要消毒、开刀、处理血渍等问题，采用铅制骨骼模型会产生重金属污染，对防护措施要求较高。因此在技术方案验证的初期阶段，一个低成本、搭建方便的骨折复位实验系统是非常必要的。

本公开第二实施例提出了一种的用于关节复位手术的骨骼复位实验系统，可满足前期功能验证的基本需求。

本系统可以实现类似于医院中用C形臂实施骨折复位的过程：拍摄正侧位影像，然后摆正骨折部位的断骨，实现接骨对齐。不同之处在于，本公开实施例采用摄像头拍摄3D打印的骨骼模型用来成像，相比于传统的X光拍摄人体骨折部位成像或者拍摄涂有铅粉的骨骼模型成像，本实施例系统可满足影像质量的要求，同时大幅减少前期的实验费用、减少辐射、使用方便，可快速验证机器人复位的各种功能，比如标记关键位置、模拟关节运动、测量位置和长度等用途。

本公开第二实施例的一种骨骼复位实验系统如图3所示，包括：

上述第一实施例提供的骨骼复位系统；以及，摄像机组1，包括两个照相机，两个照相机分别用于拍摄第一方向与第二方向上的处于断裂状态的目标体的照片，其中，第一方向与第二方向垂直。

本实施例的系统还可以包含3D打印机等生成骨骼模型的装置，但实现时，通常只需要制作完成的普通骨骼模型即可。骨骼模型是按照真实的人体模型尺寸打印出来的，上述处于断裂状态的目标体即为骨骼，一般为树脂等非金属材料。

为了便于实验，将骨骼模型斜切为两段，其中一端固定作为参考，另外一端作为活动端，将活动端衔接在机械臂末端抓手上，由机械臂实现活动端骨骼的运动。

摄像头用来拍骨骼的正侧位图像，类似于C形臂功能。两个摄像头分别放置在正侧位方向，调整好焦距，然后保持不动。摄像头拍出来的图片只有骨骼外部特征，没有内部特征，但却能满足骨折复位的要求。摄像头在拍摄时尽量在布置纯色的底板，以免影像骨骼的一些特征。摄像头为黑白或者彩色均可，彩色图形可以转为黑白图像。

本系统验证骨折复位主要是通过正侧位复位来实现，与实际在医院进行骨折复位的手术流程上是一致的，流程通常为：首先，布置好各个部件，统一坐标系，在正视位置用摄像头拍骨骼图像，计算固定端骨骼和活动端骨骼的夹角，操控机械臂移动活动端骨骼，与固定端骨骼对齐。然后在侧视位置拍摄骨骼图像，重复上述过程，将骨骼的移动端和固定端对齐。随后可以进行打钉等操作，这样就完成了复位过程。此方法的骨折复位由机械臂自动完成，也可以由实验员拖动机械臂来完成。

在进行坐标系统一时，相对于与第一实施例而言，本实施例还需要将摄像机组的坐标系也一齐进行统一，具体转换过程参考现在有技术，此处不再赘述。

在实验过程中，由于骨骼定位装置的存在，骨骼的位置移动不会影响机械臂的接骨对齐结果，机械臂会随着骨骼的移动而移动，具有跟踪的功能，这主要时模仿人在手术过程中的随动情况。

此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本公开的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本申请的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。

以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本公开。这不应解释为一种不要求保护的公开的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本公开的主题可以少于特定的公开的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本公开的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。

以上对本公开多个实施例进行了详细说明，但本公开不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本公开构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本公开所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种骨骼复位系统，其特征在于，包括：

固定装置、机械臂、骨骼定位装置和控制器；

所述固定装置，用于固定第一目标体；

所述机械臂，用于固定第二目标体，并响应于所述控制器的控制，拉伸固定在所述机械臂上的所述第二目标体；

所述骨骼定位装置，包括设置在所述第一目标体上的第一定位组件和设置在所述第二目标体上的第二定位组件，用于向所述控制器反馈确定的所述第一目标体和所述第二目标体的位置；

所述控制器，用于根据所述第一目标体和所述第二目标体的位置确定所述第二目标体的运动轨迹，并控制所述机械臂按照所述运动轨迹运动。

2.如权利要求1所述的骨骼复位系统，其特征在于，

所述控制器，具体用于：在所述第一目标体和所述第二目标体在空间上存在骨骼错位区域时，控制所述机械臂按照预定拉力值拉伸所述第二目标体远离所述第一目标体；在所述第一目标体和所述第二目标体在空间上不存在骨骼错位区域时，根据所述第一目标体和所述第二目标体的位置确定所述第二目标体的运动轨迹，并控制所述机械臂按照所述运动轨迹运动。

3.如权利要求1所述的骨骼复位系统，其特征在于，所述骨骼定位装置还包括：

光学接收器，用于向所述第一定位组件和所述第二定位组件发出光信号，并接收所述第一定位组件和所述第二定位组件返回的光反馈信号，以根据所述光反馈信号确定所述第一目标体和所述第二目标体的位置。

4.如权利要求3所述的骨骼复位系统，其特征在于，

所述第一定位组件至少包括一个或多个NDI光学导航小球，所述第二定位组件至少包括一个或多个NDI光学导航小球。

5.如权利要求1至4中任一项所述的骨骼复位系统，其特征在于，

所述机械臂为具有预定自由度串联机器人，其中，所述预定自由度不小于6自由度。

6.如权利要求3或4所述的骨骼复位系统，其特征在于，

所述控制器，还用于根据第一目标体和第二目标体的医学影像数据构建第一目标体和第二目标体当前的骨骼仿真模型，并根据所述第一目标体和所述第二目标体的位置实时调整所述骨骼仿真模型的当前状态；

显示器，用于显示所述骨骼仿真模型。

7.如权利要求6所述的骨骼复位系统，其特征在于，

所述控制器，具体用于：以所述固定装置和所述机械臂所在空间建立空间直角坐标系，将所述光学接收器的位置转换至所述空间直角坐标系中，根据所述第一定位组件和所述第二定位组件的初始位置、所述第一目标体和所述第二目标体的医学影像数据在所述空间直角坐标系中构建第一目标体和第二目标体当前的骨骼仿真模型；

根据所述光学接收器的位置将测量得到的所述第一目标体和所述第二目标体的位置转换至所述空间直角坐标系中，以根据所述第一目标体和所述第二目标体的位置实时调整所述骨骼仿真模型的当前状态。

8.如权利要求1所述的骨骼复位系统，其特征在于，

所述控制器，包括：控制摇杆，与所述机械臂连接，用于通过杠杆原理控制所述机械臂按照所述预定轨迹运动。

9.一种骨骼复位实验系统，其特征在于，包括：

权利要求1至8中任一项所述的骨骼复位系统；

摄像机组，包括两个照相机，两个照相机分别用于拍摄第一方向与第二方向上的处于断裂状态的目标体的照片，其中，所述第一方向与第二方向垂直。

10.如权利要求9所述的骨骼复位实验系统，其特征在于，所述处于断裂状态的目标体为非金属材料。

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