CN112370135B - 一种用于多段骨折的机器人复位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多段骨折的机器人复位系统，包括：手术床，手术床的一侧设有一个机械臂基座和多个临时固定装置基座，分别用于安装机械臂和临时固定装置；所述机械臂的末端连接断骨夹持装置。通过临时复位装置，能够对多个骨折段分别进行固定，避免了传统手术切开复位或骨牵引复位带来的不确定因素。

Description

一种用于多段骨折的机器人复位系统

技术领域

本发明属于医疗辅助机器人技术领域，尤其涉及一种用于多段骨折的机器人复位系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

多段骨折是一种由高能量暴力引起的不稳定性的骨折,由于断骨断裂成多段，断骨的位置不好把控，复位后稳定性较差，术后容易遗留各种后遗症。

据发明人了解，目前针对多段骨折的复位，多借助外科手术方法，根据断骨的不同位置选择不同的手术入路，暴露骨折端，从而实现直视下准确复位的目的，但是，这种复位方式存在创伤大，骨折段血运破坏严重等问题，极易引起骨折延迟愈合或不愈合。尽管当前已经出现了借助骨牵引的方式，用螺纹针穿过骨质，通过牵引达到复位的目的，但是，对于多段骨折而言，由于骨折段数多，除近端骨折段外，其他骨折段的目标位置均难以把控；并且，进行某一段骨折段的复位时，容易对临近骨折段带来影响，例如，拨动了已复位的临近骨折段。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于多段骨折的机器人复位系统，通过临时固定装置，避免了对某一骨折段进行复位时可能对临近骨折段造成的影响，也避免了传统手术切开复位方式带来的不确定因素。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种用于多段骨折的机器人复位系统，包括：手术床，手术床的两侧设有机械臂基座和多个临时固定装置基座，分别用于安装机械臂和临时固定装置，根据手术部位及左右选择不同的机械臂作为复位用机械臂；所述机械臂的末端连接断骨夹持装置。

进一步地，所述临时固定装置基座上包括可调节安装孔，用于固定临时固定装置。

进一步地，所述临时固定装置基座包括底座和固定部，所述固定部设有上方开口的安装孔，通过螺栓调节安装孔大小。

进一步地，所述临时固定装置包括相连接的连接件和万向夹持器，所述连接件能够伸入可调节安装孔内实现固定，所述万向夹持器用于夹持螺纹针。

进一步地，所述断骨夹持装置包括相连接的固定基座和多个万向夹持器，所述固定基座用于与机械臂末端连接，所述万向夹持器用于夹持螺纹针。

进一步地，所述固定基座为圆盘形，其周向均匀设置固定座，用于固定万向夹持器。

进一步地，所述万向夹持器包括依次连接的万向转动部件、滑动杆、以及能够沿滑动杆运动的末端夹持机构。

进一步地，所述万向转动部件包括球头连杆和设置在球头连杆两端的端盖。

进一步地，所述末端夹持机构包括滑杆，在滑杆上依次设置的凸形块、旋转块和压紧块，所述凸形块上端设置凸台，通过凸台与旋转块可转动连接，所述旋转块与压紧块的接触面上设置螺纹针固定孔。

进一步地，还包括磁导航系统，包括接收器、发射器、控制盒和电子设备；每个需复位骨块上均有螺纹针连接接收器，接收器和发射器均通过控制盒与电子设备连接。

进一步地，还包括牵引装置，所述牵引装置包括轴向往返运动装置和脚部/腕部固定件，其中，轴向往返运动装置末端与脚部/腕部固定件连接。以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

提出了一种专用于多段骨折的机器人复位系统，通过引入临时固定装置，使得各个骨折段在进行牵引复位时不会对其他骨折段造成影响，避免了相互干扰，保证了复位效果，并且，借助机械臂进行复位能够提供足够的稳定性，且有利于按照规划路径进行精准复位。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中用于多段骨折的机器人复位系统示意图；

图2为本发明实施例中牵引装置结构示意图。

图3为本发明实施例中临时固定装置基座示意图；

图4为本发明实施例中临时固定装置结构示意图；

图5为本发明实施例中末端夹持装置结构示意图；

图6为本发明实施例中断骨夹持装置结构示意图；

图7为本发明实施例中多段骨折复位轨迹规划流程图。

图中，1、手术床，2、机械臂，3、临时固定装置基座；4、临时固定装置；401、万向转动部件、402、滑动杆，402-1、滑槽，403、凸形块，404、旋转块，405、压紧块，406、末端夹持机构，407、偏心杆，408、球头连杆，409、端盖，410、上锁紧螺钉，411、下锁紧螺钉，412、连接件，413、垫片；5、断骨夹持装置，501、底座；6、牵引装置，601、轴向往返运动装置，602、脚部固定件，603、六维力力矩传感器，604、支撑架，605、升降机构。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

一种用于多段骨折的机器人复位系统，如图1，包括：手术床1和牵引装置，手术床的两侧分别设有机械臂基座和多个临时固定装置基座3，分别用于安装机械臂2和临时固定装置4。所述机械臂用于对多段骨折的每个骨块进行复位；所述临时固定装置用于在多段骨折复位过程中对骨块进行临时固定，具体地，每个临时固定装置用于对一个已复位骨块进行临时固定。

上述临时固定装置基座与机械臂可在手术床的同侧，也可在手术床的对侧，在此不做限定。

所述机械臂为六自由度机械臂，可实现末端关节在运动范围内任意位置的运动和姿态的调整；机械臂与机械臂基座通过螺钉连接。

所述机械臂末端设有螺纹孔，用于安装断骨夹持装置5。如图5，断骨夹持装置5包括固定基座501和多个万向夹持器，所述万向夹持器固定在固定基座上，固定基座实现断骨夹持装置与机械臂末端连接。本实施例中，固定基座可以采用圆盘形固定架，所述圆盘形固定架上设置螺纹孔，通过螺纹孔固定在机械臂的末端。所述固定架上设置有对称的螺钉孔，通过螺钉孔固定万向夹持器。固定基座还可以设置与万向夹持器的端盖匹配的固定座，所述固定座的形状与端盖相匹配。万向夹持器用于夹持同一骨折段上的螺纹针，以实现机械臂对骨折段的夹持。并且，多个万向夹持器的长度可以不同。

如图2，所述临时固定装置基座，包括可调节安装孔。本实施例中，所述临时固定装置基座包括底座和固定部，所述固定部设有上方开口的安装孔，所述安装孔通过螺栓调节大小，基座与手术床边缘通过螺栓固定连接。

如图3，所述临时固定装置包括连接件412和万向夹持器，所述连接件与万向夹持器的一端固定连接，通过将所述连接件固定于上述可调节安装孔，实现万向夹持器与基座3的连接。所述万向夹持器包括依次连接的万向转动部件401、滑动杆402、以及设置在滑动杆上的末端夹持机构406。

具体地，万向转动部件可以采用万向节，具体的结构可包括球头连杆408和设置在球头连杆两端的端盖409，所述端盖内设置与球头连杆的球头匹配的凹槽。连接件与万向转动部件的端盖连接。万向转动部件可以实现三维空间内的转动，作为临时固定装置的转动关节，提高了角度调节的灵活性。

所述滑动杆包括滑动杆杆体，以及设置在滑动杆杆体内设定长度和宽度的滑槽。通过滑槽固定末端夹持机构，通过滑动杆能够实现末端夹持机构的远近滑动。

末端夹持机构用于直接固定螺纹针，螺纹针用于打入断骨实现与断骨的刚性连接，在正骨的过程中，每一骨折段可以各打入合适数量的螺纹针。作为一种实现方式，如图4，所述末端夹持机构包括从下到上包括下锁紧螺钉、凸形块、旋转块、压紧块和上锁紧螺钉；其中，凸形块、旋转块和压紧块中心设置贯穿的螺纹孔，上锁紧螺钉通过该螺纹孔对凸形块、旋转块和压紧块实现紧固；下锁紧螺钉用于将末端夹持机构与滑动杆连接，具体地，所述末端夹持机构与滑动杆之间相对位置可以采用螺钉和垫片方式固定，螺钉可从下部旋入凸形块的螺纹孔中，通过旋紧螺钉将垫片压紧在滑动杆上，实现将末端夹持机构固定在滑动杆的滑槽内的设定位置。所述旋转块与压紧块的接触面上设置螺纹针固定孔，螺纹针固定孔用于固定螺纹针。可选的，螺纹针固定孔可以设置为V形槽。

通过调节上锁紧螺钉，可实现凸形块和旋转块之间的旋转，凸形块上端设置圆形槽的外表面与旋转块的内壁相配合，实现旋转块的定位，使得转动过程中不会横向移动；通过调节下锁紧螺钉，可以实现末端夹持机构在滑动杆上位置的调整。末端夹持机构能够实现360度的转动，可以作为万向夹持器的旋转关节。

所述滑杆可以采用螺杆和螺母411，螺杆和螺母的紧配合，将末端夹持机构固定在滑动杆的滑槽内的设定位置。

所述牵引装置包括轴向往返运动装置和脚部/腕部固定件，其中，轴向往返运动装置末端与脚部/腕部固定件连接，由驱动电机驱动，在患者脚部/腕部固定后能够实现牵拉。本实施例中，所述轴向往返运动装置采用丝杆升降装置，所述丝杆升降装置设于支撑架上。所述支撑架为6自由度并联装置，包括上板和下板，以及上板和下板之间的升降装置，下板下方设有多个万向轮，均配备万向轮锁，能够实现牵引装置位置的按需调整。优选地，所述轴向往返运动装置和脚部/腕部固定件之间设有六维力力矩传感器，与处理器连接，用于实时监测牵引力的大小，设定牵引力最高限，防止拉力过大造成组织损害。

进一步地，为了对复位状态进行实时监控，还设有磁导航系统，包括磁导航传感器(接收器)、发射器、控制盒和电子设备，所述电子设备可以为具有显示装置的电脑、平板等任意现有设备，在此不做限定。其中，所述磁导航传感器和发射器均与控制盒连接，控制盒与电子设备连接。每一个螺纹针上均安装磁导航传感器。从而能够得知每一螺纹针的实时位置。

所述机器人复位系统的工作原理如下：

首先基于虚拟复位技术获取除最近端骨折块外每一骨折块的复位路径；然后对于最近端和最远端之间的骨折块，按照由近端到远端的顺序，根据复位路径顺次复位骨折段，每复位一个骨折段，均采用临时固定装置对该骨折块进行临时固定。具体过程如下：

(1)对患肢进行预牵引，在各个需复位骨折块上均打入螺纹针，并采用临时固定装置固定最近端骨折块；采用机械臂末端的断骨夹持装置夹持最近端骨折块的相邻骨折块；

(2)控制机械臂根据复位路径对该相邻的骨折块进行复位，复位后，拆除机械臂对该骨折块的夹持，采用临时固定装置固定；

(3)采用机械臂夹持下一个骨折块，重复执行步骤(2)-(3)，直至对最远端骨折块的相邻骨折块完成复位。至此，除最远端骨折块外，其余骨折块均采用临时固定装置进行了固定。

对于最远端骨折块，由于复位空间有限，需借助牵引装置，具体过程如下：

(1)采用机械臂夹持最远端骨折块，

(2)将患者的患肢与牵引装置连接，调整牵引装置，使其牵引力方向与轴线一致；

(3)控制机械臂协同牵引装置根据复位轨迹对最远端骨块进行复位。至此，完成了所有骨折段的复位。

执行复位过程中，显示器实时显示磁导航传感器所在位置，即螺纹针所在位置，以便实时监控复位情况，把握复位进度。

其中，如图6，基于虚拟复位技术获取除最近端骨折块外每一骨折块的复位路径包括以下步骤：

步骤1：获取骨折部位CT图像，进行三维重建，并对断骨模型进行分割，得到多个骨段模型；

步骤2：以最近端骨模型作为当前近端骨模型，以与其相邻的断骨作为当前远端骨模型，进行复位轨迹规划；

步骤3：将当前远端骨模型复位；

步骤4：将当前近端骨模型和当前远端骨模型的组合作为新的当前近端骨模型，以与其相邻的断骨作为当前远端骨，进行复位轨迹规划；

步骤5：重复步骤3-4，直至得到最远端断骨的复位路径。

其中，所述步骤2和4中复位路径规划的方法包括以下步骤：

(1)生成当前远端骨的模型副本，对当前远端骨副本进行虚拟复位，得到虚拟复位模型；

其中，虚拟复位操作可以计算机自动完成，也可以借助软件由用户手动完成。具体地，计算机自动完成的方式为：生成当前远端骨模型的模型副本，基于当前远端骨模型和当前近端骨模型的骨折断面形态特征进行配准；借助软件由用户手动完成的方式为：生成当前远端骨模型的模型副本，接收用户针对当前远端骨模型副本的虚拟复位操作，使模型副本与当前近端骨模型实现拼接，得到虚拟复位模型，作为一种实施方式，可借助三维建模软件，对当前远端骨模型执行拖动、旋转等操作，使当前远端骨模型与当前近端骨模型的断面实现拼接。

尽管虚拟复位操作能够得到当前远端骨模型匹配到当前近端骨模型的轨迹，但是，因为人体骨骼周围有皮肤肌肉覆盖，所以真正的骨折复位是在限制空间内的复位，而这个轨迹并不适合临床操作，不适合对患者的断骨执行该轨迹，因此，在下一步中，本实施例构建了复位轴，基于复位轴将复位过程划分为多个阶段，使得复位系统能够分阶段依次按照该阶段的轨迹进行复位，具有临床意义。

(2)根据虚拟复位模型，生成复位轴，所述复位轴上设有标识位，且所述复位轴长度大于两个断骨中最长的骨折段；

本实施例中，所述复位轴与虚拟复位模型平行。并且，所述复位轴为圆柱体模型，所述标识位为圆球模型，且圆球模型偏离复位轴的中心。本领域技术人员可以理解，所述复位轴和标识位也可以为其他形状的模型，在此不做限定。

(3)生成复位轴的副本，在复位轴与其模型副本重合的前提下，将复位轴与当前近端骨模型绑定，将复位轴副本与当前远端骨模型副本绑定，得到远端副本组合体；以当前远端骨模型为基准，将远端副本组合体进行配准；

配准后，较粗当前远端骨模型副本及复位轴副本被移动到当前远端骨模型处，此时，就将当前远端骨模型到当前近端骨模型的轨迹规划问题，转换为了复位轴副本到复位轴的轨迹规划问题。

(4)根据复位轴及其模型副本上的标识位，获取当前远端骨的复位轨迹。

本实施例中，采用过牵、对线、对位和回缩的四步复位法寻求当前远端骨的复位路径。具体包括：

①以复位轴为基准，计算使得复位轴副本与复位轴上标识位之间间隔一定距离(0.5-1cm)的轨迹，该轨迹用于对当前远端骨模型进行过牵；

②计算使得复位轴副本与复位轴对线的轨迹，然后计算使得复位轴副本与复位轴上标识位对位的轨迹，两个轨迹分别用于当前远端骨模型进行对线和对位；

③计算使得复位轴副本与复位轴上标识位完全重合的轨迹，该轨迹用于对当前远端骨模型同时进行回缩。

(5)输出当前远端骨的复位轨迹，包括：当前远端骨牵引轨迹、当前远端骨对位对线轨迹和当前远端骨回缩轨迹。

作为一种实施方式，微处理器可预先存储计算机程序，运行时实现上述复位轨迹规划方法，在复位的不同阶段，向机械臂发送所需复位轨迹控制指令。

通过虚拟复位技术，能够准确获知每个骨折段到达目标位置所需的旋转角度和位移，结合机械臂保证了精准复位；

通过磁导航技术，能够在复位过程中实时监视复位状态，有助于把控当前骨块复位时对远侧骨块位置的影响，应用实时追踪系统实时提供远侧骨块坐标信息，增强复位可靠性和稳定性；

借助临时固定装置，保证了每个近端骨折块复位后能够不受后面骨块复位的影响，提高了复位效率，保证了复位效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于多段骨折的机器人复位系统，其特征在于，包括：手术床，手术床的两侧设有机械臂基座和多个临时固定装置基座，分别用于安装机械臂和临时固定装置；所述机械臂的末端连接断骨夹持装置；

所述用于多段骨折的机器人复位系统工作原理为：

基于虚拟复位技术获取除最近端骨折块外每一骨折块的复位路径；具体步骤为：

步骤1：获取骨折部位CT图像，进行三维重建，并对断骨模型进行分割，得到多个骨段模型；

步骤2：以最近端骨模型作为当前近端骨模型，以与其相邻的断骨作为当前远端骨模型，进行复位轨迹规划；

步骤3：将当前远端骨模型复位；

步骤4：将当前近端骨模型和当前远端骨模型的组合作为新的当前近端骨模型，以与其相邻的断骨作为当前远端骨，进行复位轨迹规划；

步骤5：重复步骤3-4，直至得到最远端断骨的复位路径；

对于最近端和最远端之间的骨折块，按照由近端到远端的顺序，根据复位路径顺次复位骨折段，每复位一个骨折段，均采用临时固定装置对该骨折块进行临时固定；

所述复位轨迹规划方法包括：

(1)生成当前远端骨的模型副本，对当前远端骨副本进行虚拟复位，得到虚拟复位模型；

(2)根据虚拟复位模型，生成复位轴，所述复位轴上设有标识位，且所述复位轴长度大于两个断骨中最长的骨折段；

(3)生成复位轴的副本，在复位轴与其模型副本重合的前提下，将复位轴与当前近端骨模型绑定，将复位轴副本与当前远端骨模型副本绑定，得到远端副本组合体；以当前远端骨模型为基准，将远端副本组合体进行配准；

(4)根据复位轴及其模型副本上的标识位，获取当前远端骨的复位轨迹。

2.如权利要求1所述的一种用于多段骨折的机器人复位系统，其特征在于，所述临时固定装置基座上包括可调节安装孔，用于固定临时固定装置。

3.如权利要求2所述的一种用于多段骨折的机器人复位系统，其特征在于，所述临时固定装置基座包括底座和固定部，所述固定部设有上方开口的安装孔，通过螺栓调节安装孔大小。

4.如权利要求2所述的一种用于多段骨折的机器人复位系统，其特征在于，所述临时固定装置包括相连接的连接件和万向夹持器，所述连接件能够伸入可调节安装孔内实现固定，所述万向夹持器用于夹持螺纹针。

5.如权利要求1所述的一种用于多段骨折的机器人复位系统，其特征在于，所述断骨夹持装置包括相连接的固定基座和多个万向夹持器，所述固定基座用于与机械臂末端连接，所述万向夹持器用于夹持螺纹针。

6.如权利要求5所述的一种用于多段骨折的机器人复位系统，其特征在于，所述万向夹持器包括依次连接的万向转动部件、滑动杆、以及能够沿滑动杆运动的末端夹持机构。

7.如权利要求6所述的一种用于多段骨折的机器人复位系统，其特征在于，所述万向转动部件包括球头连杆和设置在球头连杆两端的端盖。

8.如权利要求6所述的一种用于多段骨折的机器人复位系统，其特征在于，所述末端夹持机构包括滑杆，在滑杆上依次设置的凸形块、旋转块和压紧块，所述凸形块上端设置凸台，通过凸台与旋转块可转动连接，所述旋转块与压紧块的接触面上设置螺纹针固定孔。

9.如权利要求1所述的一种用于多段骨折的机器人复位系统，其特征在于，还包括磁导航系统，包括接收器、发射器、控制盒和电子设备；每个需复位骨块上均有螺纹针连接接收器，接收器和发射器均通过控制盒与电子设备连接。

10.如权利要求5所述的一种用于多段骨折的机器人复位系统，其特征在于，还包括牵引装置，所述牵引装置包括轴向往返运动装置和脚部/腕部固定件，其中，轴向往返运动装置末端与脚部/腕部固定件连接。

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