CN112370153A - 面向四肢骨折的一体化手术系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向四肢骨折的一体化手术系统及控制方法，所述系统包括：电动手术台、三个机械臂、机械臂控制柜和微处理器；所述三个机械臂分别通过可移动基座连接在电动手术台上，三个机械臂末端分别用于连接断骨夹持装置、钢板插入辅助装置和锁定螺钉置入执行器；微处理器连接机械臂控制柜，用于分别向三个机械臂发送复位、钢板插入和螺钉置入控制指令。本发明结合三维建模和数值计算，通过三个机械臂分别实现准确的复位、钢板置入和置钉，实现了复位、插入钢板和置钉的高度集成。

Description

面向四肢骨折的一体化手术系统及控制方法

技术领域

本发明属于医疗辅助系统技术领域，尤其涉及一种面向四肢骨折的一体化手术系统及控制方法。

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。

四肢骨折是骨科常见病，具有发病率普遍，致残率高等特点。针对四肢骨折情况，现有的方式对骨骼进行复位后，进行插入钢板操作，锁定钢板和锁定螺钉通过螺纹精密的连接在一起。

在骨折复位方面，目前各医院大多采用骨折切开复位内固定手术和手法整复石膏/夹板外固定术，但此两者均有明显的弊端。为了使骨折能够达到理想的解剖复位，往往需要切开骨折断端，将骨折暴露后直视下进行复位，这使得切开复位内固定术创伤较大，破坏血运，增加感染机率，容易造成关节粘连，严重影响骨折愈合及恢复；手法复位准确度较差，固定效果不好，患肢活动受限，且对施术者经验要求高，严重影响着四肢骨折复位和康复治疗的安全性和有效性，不能满足当前四肢骨折的临床治疗要求。

在钢板置入方面，原先都是在骨折断端复位后直视将钢板放置在合适的位置，随着微创技术的发展，目前可以在不切开断端的情况下进行钢板置入，但临床大夫很难将钢板一次性放置到位，往往需要在C型臂下反复透视，以确定最终位置，浪费了宝贵的手术时间，也加大了对患者和术者的辐射。

现有的置钉方式，大多采用人工定位的方式进行置钉，置钉的劳动强度较高，效率较低；自攻自钻螺钉因为不需要提前钻孔而备受推崇，但随着临床案例的增多，自攻自钻螺钉不易取出的事件越来越多，主要原因是骨痂长到自钻钉的刃槽，阻挡了自攻自钻螺钉的螺出；对于普通的锁定螺钉，需要提前进行钻孔和测量，且现有的锁定螺钉的置入方式无法实现快速的连续置钉，置钉效率较低，从而导致手术时间的延长。为了精确的植入螺钉，现行的做法需要先用配套套筒与螺孔连接，找到螺孔的中心线，然后用骨钻钻孔，用测深尺测定骨道的长度，再用选择合适的锁定螺钉沿孔道螺入。

随着新型机构、材料、驱动、传感、控制与仿真等多项技术研究的突破，人们发明了多种医疗/康复智能机器人系统。利用智能系统学习与认知，人机交互与协作，尽管复位、钢板置入和置钉均取得了一定的进展，但对于人体四肢长骨干精准复位、插入钢板和置钉的一体化机器人系统整体的研究尚无实用性研究成果。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种向四肢骨折的一体化手术系统及控制方法，结合三维建模和数值计算，通过三个机械臂分别实现准确的复位、钢板置入和置钉，实现了复位、插入钢板和置钉的高度集成。

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：

一种面向四肢骨折的一体化手术系统，包括：电动手术台、机械臂、机械臂控制柜、微处理器和六自由度并联平台；所述机械臂分别通过可移动基座连接在电动手术台上，机械臂末端分别用于连接断骨夹持装置、钢板插入辅助装置和锁定螺钉置入执行器；微处理器连接机械臂控制柜，用于分别向机械臂发送复位、钢板插入和螺钉置入控制指令。

进一步地，电动手术台包括手术台基座和手术台主体，所述手术台基座上设有曲形托架和机械臂定位装置，分别用于安装骨骼外固定装置和可移动基座。

进一步地，所述骨骼夹持装置包括固定基座，所述固定基座用于连接万向夹持器；所述固定架用于与机械臂末端连接；所述万向夹持器包括滑动杆和设置在滑动杆上的末端夹持机构，通过万向转动部件与固定架连接，其中，所述末端夹持机构用于夹持螺纹针。

进一步地，所述骨骼外固定装置包括固定底座、竖直支架、曲面固定架和夹持器，所述夹持器与竖直支架旋转连接，所述夹持器包括滑动杆和设置在滑动杆上的末端夹持机构，其中，所述末端夹持机构用于夹持螺纹针。

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，所述骨骼夹持装置上还设有标定针，所述骨骼外固定装置的曲面固定架上设有多个不共面的标定孔，标定针和标定孔的尺寸相对应。

进一步地，所述钢板辅助插入装置包括与待插入钢板的夹持部表面弧度匹配的板体，板体上设置机械臂末端连接部、至少三个不共线的凸起和至少一个固定孔；其中，所述至少三个不共线的凸起和至少一个固定孔分别与待插入钢板上的凹槽和固定孔相匹配。

进一步地，所述锁定螺钉置入执行器包括驱动机构、螺钉容纳机构和中空的导向管；所述驱动机构包括风批以及与风批连接的杆件，所述风批包括沿间歇旋转机构间隔预设角度分布的第一风批、第二风批和第三风批，所述第一风批通过第一杆件与破皮尖刀连接，所述第二风批通过第二杆件与钻头连接；所述螺钉容纳机构设有用于放置螺钉的第一通孔，所述导向针管与螺钉容纳机构连接，置钉时第一通孔和导向管贯通，且第三风批连接的第三杆件、第一通孔和导向管的轴线共线。

进一步地，所述执行器包括圆柱形空腔，间歇旋转机构为分度器，所述圆柱形空腔内同轴布设有用作分度器旋转中轴的圆柱体，圆柱体上每间隔120°设有一条沿轴向的导轨，所述第一风批、第二风批和第三风批分别通过滑动件设置在导轨中。

一个或多个实施例提供了一种应用于所述手术系统中的控制方法，包括：

准备步骤：获取包含电动手术床、患肢、骨骼外固定装置、钢板在内的CT图像，进行三维建模；

复位控制步骤：获取骨骼夹持装置上各个金属球的球心坐标，在三维模型空间中基于上述球心坐标生成相同大小的金属球模型；

基于三维模型空间中生成的金属球模型和三维模型中的金属球，使三维模型的坐标系与机械坐标系统一；

对断骨远端进行虚拟复位，得到复位路径数据发送至机械臂；

钢板插入控制步骤：向钢板置入机械臂发送控制指令，驱动该机械臂将钢板移动到钢板植入点，并记录钢板的实时位置；

根据目标位置和钢板位置，规划钢板插入轨迹；

基于规划的轨迹生成控制指令发送至钢板置入机械臂，记录钢板上所有螺纹孔的中心线方向；

置钉控制步骤：控制机械臂运动到第一个固定位置，使导向针管的轴线与记录的钢板上第一个螺纹孔的中心线对齐；

控制机械臂运动，使导向针管穿刺到达第一个螺纹孔上方预设距离；

通过控制气泵通气和分度器旋转，控制螺钉拧入该螺纹孔；

控制机械臂运动到下一个固定位置，使导向针管的轴线与记录的钢板上第二个螺纹孔的中心线对齐，重复上述直至最后一颗螺钉拧入钢板；

进一步地，所述复位控制步骤中适用于单机械臂，采用磁导航或红外导航应用于多机械臂。

进一步地，所述螺钉拧入该螺纹孔的过程中采用远近端交替置钉。以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

上述手术系统，通过在手术台上设置机械臂，分别用于连接骨骼夹持装置、钢板置入辅助装置和置钉执行装置，通过三者的配合，基于一台设备即可实现复位、钢板插入和置钉全过程。

与现有骨折复位方式相比，本发明采用“虚拟仿真复位+实际复位操作”虚实交互的操作模式，能够在不切开断端的情况下获得更高的骨折复位精度；能够极大程度上降低手术风险，减少病人的痛苦，选用高精度机械臂，能够精确地执行指定操作，排除了医生的不确定因素的影响，同时对操作人员要求较低，有利于使更多的医疗机构具有精确骨折复位的能力。

钢板插入辅助装置通过设置与钢板夹持部相匹配的结构，能够实现与钢板的刚性连接，同时设置了机械臂末端连接装置，能够实现该辅助装置与机械臂末端的连接，并使之与钢板呈135度，为置钉留出足够的空间。辅助装置在钢板与骨骼连接的置钉位置设置了至少大于钉孔的通孔，当采用套筒安装，应使通孔内径与套筒外径相匹配，能够实现钢板插入后钢板与骨骼的固定，能够提高操作的灵活性，该辅助作为机械臂与钢板之间的中间连接件，能够减少或解除由于钢板的大小对夹持力度的限制，同时方便置钉，为置钉设置了足够的空间。

锁定置钉执行器通过第一风批、第二风批、第三风批和分度器的配合，实现了锁定螺钉的连续快速置入，极大的提高了钢板固定的效率，极大的减少了手术的时间。通过自动化置钉的方式，只需一次操作即可准确快速的实现一个螺钉的置入，且螺钉的扭矩和置入深度可控，极大的提高了置钉的效果。

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为本发明实施例中面向四肢骨折的一体化手术系统结构示意图；

图2为本发明实施例中骨骼夹持装置示意图；

图3为本发明实施例中万向夹持器的结构示意图；

图4为本发明实施例中末端夹持机构的结构示意图；

图5为本发明实施例中骨骼外固定装置示意图；

图6为本发明实施例中钢板插入辅助装置、机械臂和钢板示意图；

图7为本发明实施例中插入辅助装置结构示意图；

图8为本发明实施例中一个钢板示例；

图9为本发明实施例中机械臂和锁定螺钉植入装置示意图；

图10为本发明实施例中锁定螺钉植入装置示意图；

图11为本发明实施例中风批结构示意图；

图12为本发明实施例中导向管结构示意图；

图13为本发明实施例中螺钉容纳机构结构示意图；

图14为本发明实施例中滑块示意图。

其中，1手术床，1-1手术床基座，1-2手术床主体，1-3升降装置，1-4曲形托架，1-5凹槽；2、机械臂；3并联牵引装置；3-1六自由度支撑架，3-2第三驱动电机，3-3丝杆，3-4六维力力矩传感器，3-5牵引鞋，3-1-1上平台，3-1-2下平台，3-1-3伸缩杆；4骨骼夹持装置、4-1固定基座、4-2标定针、4-3万向夹持器、4-3-1万向转动部件、4-3-2滑动杆、4-3-3凸形块、4-3-4旋转块、4-3-5压紧块、4-3-6末端夹持机构、4-3-6-1上锁紧螺钉、4-3-6-2垫片、4-3-6-3下锁紧螺钉；5骨骼外固定装置、5-1L形支架、5-2近端骨骼夹持装置、5-3支撑架、5-4金属球、5-5远端骨骼夹持装置；6钢板辅助插入装置、6-1板体、6-2凸起、6-4固定孔、6-3通孔、7机械臂末端、8连接柱；9螺钉置入执行器；10风批、10-1接气口、10-2定扭力调节旋钮、10-3六角接口、10-4第一风批、10-5第二风批、10-6第三风批；11导向管、11-1中空圆管段针管、11-2圆锥段针尖、11-3螺纹；12螺钉容纳机构、12-1转盘、12-2挡板、12-3锁紧螺钉、12-4电机、12-5内六角推杆；13滑块；14外壳；15导轨。

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

本实施例公开了面向四肢骨折的一体化手术系统，如图1所示，包括：机器人系统、电动手术床1和并联牵引装置3。

所述机器人系统包括三个机械臂2、微处理器、显示器和机械臂控制柜。机械臂与电动手术床1通过可移动基座连接；机械臂控制柜分别与机械臂和微处理器连接，用于对机械臂发送控制信号，其拥有扩展端口，能够接入外部控制信号，以及将机械臂末端坐标及姿态信息通过显示器显示，微处理器具有在线编程以及载入外部控制程序的能力，在复位、钢板置入和置钉阶段向机械臂控制柜发送相应控制指令。

所述手术床1包括手术床基座1-1和手术床主体1-2，手术床基座和手术床主体之间设有升降装置1-3，与第一驱动电机连接；手术床主体1-2的头尾端的升降装置由同一电机控制，实现同时升降；

第一驱动电机和第二驱动电机均与手术床控制机构连接，分别用于驱动手术台的升降和头尾平移。本实施例中，手术床能够实现80cm宽的平移，用于承担部分肢体重量。基座上还设有会阴柱，能够沿手术床主体滑动；手术床下肢区域的相应部分设有凹槽1-5，凹槽大小使得会阴柱能够穿过且能够沿凹槽活动以调整位置，会阴柱用于固定患者，防止牵引复位时发生移动，影响复位效果。

所述手术床1两侧设有四个机械臂托板，所述机械臂托板均通过可移动底座与手术床1连接；所述机械臂托板用于安装机械臂2；

作为一种实现方式，机械臂托板上设有螺孔，与机械臂2通过螺栓固定连接。所述三个机械臂2均与机械臂控制柜连接，机械臂控制柜与微处理器连接。三个机械臂分别用于复位、钢板插入和置钉，可根据手术部位及钢板要插入的位置进行位置调节。具体地，用于复位的机械臂末端连接骨骼夹持装置，用于钢板插入的机械臂末端连接钢板辅助插入装置，用于置钉的机械臂末端连接置钉执行器；

优选地，机械臂还可以四个，在进行双骨折复位时需要使用四个机械臂。

手术床边缘还设有骨骼外固定装置，用于在复位过程中对断骨进行临时固定。

手术床尾端设有并联牵引装置，用于在复位过程中对断肢进行牵引，与骨骼夹持装置相配合进行实现牵引复位。

并联牵引装置

所述并联牵引装置3为六自由度，包括支撑架3-1、水平轴向运动机构和腕部/脚部固定件。其中，水平轴向运动机构底部固定于支撑架上，水平轴向运动机构末端与腕部/脚部固定件连接，由第三驱动电机3-2驱动，能够带动腕部/脚部固定件移动，用于在患者脚部固定后能够实现牵拉。所述水平轴向运动机构和腕部/脚部固定件之间还设有六维力力矩传感器3-4，用于感测牵拉过程的力与力矩，通过螺丝与水平轴向运动机构连接，通过螺栓与腕部/脚部固定件相连接。本实施例中，所述水平轴向运动机构采用丝杆升降装置，丝杆末端设有固定座，用于与腕部/脚部固定件连接。

所述支撑架3-1包括上平台3-1-1和下平台3-1-2，以及上平台和下平台之间的六维调整装置，其中，丝杆升降机载重大于0.5T，升降区间大于50cm，用螺栓固定于支撑架上平台的上表面。

作为一种实现方式，上平台3-1-1和下平台3-1-2之间的升降装置由六个伸缩杆3-1-3组成，每个伸缩杆3-1-3的一端固定连接上平台3-1-1，另一端固定连接下平台3-1-2，伸缩杆3-1-3之间首尾依次连接，任意两个伸缩杆3-1-3与上平台3-1-1或者下平台3-1-2形成类三角形的结构。优选的，所述伸缩杆3-1-3可以采用电动伸缩杆，具体的，内部可以设置电动推杆，所述伸缩杆与上平台3-1-1和下平台3-1-2的连接可以通过球铰连接。

六自由度并联平台3-1可以设置为不小于400kg的载重，由六个电动推杆组成，具有一定的6自由度调整能力。

骨骼夹持装置

如图2所示，所述骨骼夹持装置4包括万向夹持器4-3、固定基座4-1以及标定针4-2，所述万向夹持器4-3与标定针4-2分别固定在固定基座4-1上，所述标定针4-2用于实现工作空间中任意一点的坐标标定。固定基座4-1实现骨骼夹持装置与机械臂末端连接，同时，作为万向夹持器4-3和标定针的固定件。可选的，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通孔，通过螺钉固定在机械臂的末端。通过固定基座4-1连接机械臂可以实现夹持装置的空间位置的调整。所述固定架上设置有对称的螺钉孔，通过螺钉孔分别固定标定针和万向夹持器。设置为对称的结构，能够简化标定坐标转换，提高坐标求解效率。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。

本实施例中，如图3所示，万向夹持器包括依次连接的万向转动部件4-3-1、滑动杆4-3-2、以及设置在滑动杆上的末端夹持机构4-3-6。可选的，万向转动部件4-3-1可以采用万向节，具体的结构可包括球头连杆和设置在球头连杆两端的端盖，所述端盖内设置与球头连杆的球头匹配的凹槽。万向转动部件4-3-1可以实现三维空间内的转动，作为万向夹持器的转动关节，提高了角度调节的灵活性。所述末端夹持机构用于夹持螺纹针，在医护人员对螺纹针、万向夹持器均操作完成后，锁死万向夹持器的活动关节，由机械臂带动螺纹针进行牵引复位。

如图4所示，末端夹持机构4-3-6包括从下到上包括下锁紧螺钉4-3-6-3、凸形块43-3、旋转块4-3-4、压紧块4-3-5和上锁紧螺钉4-3-6-1；其中，凸形块4-3-3、旋转块4-3-4和压紧块4-3-5中心设置贯穿的螺纹孔，上锁紧螺钉4-3-6-1通过该螺纹孔对凸形块4-3-3、旋转块4-3-4和压紧块4-3-5实现紧固；下锁紧螺钉4-3-6-3用于将末端夹持机构与滑动杆4-3-2连接，具体地，所述末端夹持机构与滑动杆4-3-2之间相对位置可以采用螺钉4-3-6-3和垫片4-3-6-2方式固定，螺钉4-3-6-3可从下部旋入凸形块4-3-3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4-3-6-1，可实现凸形块4-3-3和旋转块4-3-4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4-3-6-3，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。

骨骼外固定装置

所述骨骼外固定装置5通过螺钉固定在电动手术台的曲形托架1-4上，包括L形支架5-1、近端骨骼夹持装置5-2、远端骨骼夹持装置5-5和坐标标定装置。所述近端骨骼夹持装置5-2的一端与L形支架51可旋转的连接，另一端可与远端骨骼夹持装置55通过螺纹连接，其中，近端骨骼夹持装置5-2和远端骨骼夹持装置5-5分别用于夹持断骨的近端和远端。近端骨骼夹持装置5-2和远端骨骼夹持装置5-5均包括滑动杆4-3-2和设置在滑动杆上的至少两个末端夹持机构。

坐标标定装置的结构包括支撑架5-3以及设置在支撑架上与标定针的配合的多个不共面的标定孔。本实施例中，支撑架为塑料固定架，且形状为曲面，曲面上设置四个球心不在同一平面的金属球5-4，每个金属球上均设置通向球心的标定孔。标定孔大小应与标定针匹配并且开口应保持向上。

可以理解的，也可采用磁导航或红外导航的方式统一坐标系。

本实施例中，骨骼夹持装置4和万向夹持器4-3中所涉及的末端夹持机构结构相同。

实时追踪系统

为了实现复位操作的实时追踪，所述系统还设有实时追踪系统，本实施例中为磁导航系统，具体地，上述螺纹针上均设有磁导航传感器(接收器)，接收器和发射器均通过控制盒与处理器连接，复位过程中，处理器能够实时接收螺纹针的当前位置，从而得知断骨当前的复位状态。

所述显示设备与处理器连接，在复位的不同阶段，处理器向显示设备传输最优复位轨迹、骨骼复位状态和机械臂运行状态。

钢板辅助插入装置

如图6-7所示，所述钢板辅助插入装置6包括：与待插入钢板的夹持部表面弧度匹配的板体6-1，板体6-1上设置机械臂末端连接部、至少三个不共线的凸起6-2和至少一个固定孔6-4。其中，机械臂末端连接部用于与机械臂末端7连接，凸起6-2与待插入钢板上的凹槽相匹配，用于实现钢板辅助插入装置和待插入钢板的贴合，固定孔与待插入钢板上的固定孔相匹配，用于实现钢板辅助插入装置和待插入钢板的固定。

所述板体6-1上还设有多个通孔6-3，与待插入钢板上的置钉孔相对应，并且通孔6-3的直径大于置钉孔直径。

本实施例中，所述钢板辅助插入装置包括三个呈三角形分布的凸起6-2，和一个位于三个凸起中间的固定孔，通过三个凸起与待插入钢板上相应的凹槽匹配实现钢板辅助插入装置和待插入钢板的贴合，通过固定孔实现钢板辅助插入装置和待插入钢板的固定，本实施例中，固定孔为螺钉孔。

可选的，通孔6-3的大小根据实际使用需要设置，当固定螺钉的头部为外六方，通孔6-3的大小则需要大于安装套筒的外径，当固定螺钉的头部为十字头，通孔的大小大于螺钉的头部大小就可以。通孔6-3的位置与钢板螺钉孔的位置相对应。

可选的，机械臂末端连接部的结构可以为连接柱8，可以设置为两端大小不一致的锥体、多面体等形状，所述机械臂末端连接部较小的端面固定连接板体6-1的一端。可选的，连接柱8与板体6-1的设置通孔6-3一侧的表面的夹角可以为钝角，优选的，可以设置为135度。

钢板的形状、大小和弯曲弧度不同，现实中，为实现操作的一致性，用于固定骨骼的钢板具有相同结构的夹持部，夹持部至少包括三个按照三角形排列的凹陷，凹陷的中间设置了一个固定孔，本实施例中为螺钉孔，用于实现钢板与辅助装置的固定。如图8中的一种钢板的结构示意图，本实施例的辅助装置适用于Liss系列的钢板，其中比较宽的干骺端有三个凹陷，三个凹陷的连线形成三角形，三个凹陷靠近中间的位置设置有一个与骨骼实现固定的螺钉孔，对于LRSS系列多数植钢板该三个凹陷以及螺钉孔的相对位置、大小、形状都是相同的。

本实施例的一种钢板插入辅助装置作为中间件，大小只覆盖钢板的夹持部，结构形状与钢板的夹持部的形状相匹配，适用于具有该夹持部的钢板，具有广泛的适用性。通过设置与钢板夹持部相匹配的结构，能够实现与钢板的刚性连接，同时设置了机械臂末端连接装置，能够实现该辅助装置与机械臂末端7的连接；辅助装置在钢板干骺端背侧的置钉位置设置了大于钉孔的通孔，能够实现钢板插入后钢板与骨骼的固定，能够提高操作准确性，该辅助作为机械臂与钢板之间的中间连接件，能够减少或解除钢板的大小对夹持力度的限制，同时方便置钉，为置钉设置了足够的空间。

锁定螺钉置入执行器

如图9所示，所述锁定螺钉置入执行器9，包括驱动机构、螺钉容纳机构和中空的导向管；

所述驱动机构包括风批10，所述风批包括沿间歇旋转机构间隔120°分布的第一风批10-4、第二风批10-5和第三风批10-6，所述第一风批通过第一杆件与破皮尖刀连接，所述第二风批通过第二杆件与钻头连接，第三风批与第三杆件连接；

所述螺钉容纳机构12设有用于放置螺钉的第一通孔，所述导向管与螺钉容纳机构12连接，置钉时第一通孔和导向管11贯通且第三杆件、第一通孔和导向管的轴线共线，此时第三风批通过第三杆件与锁紧螺钉连接。

可以理解的，在其他一些实施方式中，第一风批10-4、第二风批10-5和第三风批10-6之间的间隔角度可以随意设定，当一次置钉完成后，间歇旋转机构复位，此时从第一风批10-4继续开始运动即可；第一风批10-4、第二风批10-5和第三风批10-6之间的间隔角度也可以不一样，只要对间歇旋转机构进行程序化设定即可实现三个风批的连续工作，本领域技术人员可以根据具体工况进行设计，这里不再赘述。

风批10使用1/4接气口10-1，接上气泵使用，且风批上设有定扭力调节旋钮10-2，可根据不同人群的骨骼差异进行扭力调整；

所述风批10还设有下压式离合器开关，当达到扭力值时自动停止转动，安全性较高；风批的尾部带有消音排气孔，不产生噪音，避免手术过程中对患者心理造成负担，所述风批的端部设有六角接口10-3，用于与内六角推杆12-5(第三杆件)连接。

导向管11具有一个中空圆管段针管11-1和端面倾斜的圆锥段针尖11-2，针管11-1与针尖11-2是采用不锈钢材质一体成型制作，针管末端有一段螺纹11-3与挡板12-2连接。

螺钉容纳机构12包括转盘12-1、挡板12-2、锁紧螺钉12-3、内六角推杆12-5和电机12-4；内六角推杆与风批连接，转盘上有十二个均匀分布的螺钉孔，挡板通过轴承固定于转盘轴上，控制电机每次转动30度，使得转盘上的下一螺纹孔与挡板上的孔对齐，螺钉进入导向管，在风批的作用下钻入骨头，固定钢板与骨头。转盘轴通过电机带动旋转，所述转盘上沿圆周方向均匀的分布有多个第一通孔，能够实现连续的置钉操作，从而快速的实现一块钢板的固定。

可以理解的，在其他一些实施方式中，所述转盘12-1上也可以设置其他个数均匀分布的螺钉孔，如8个螺钉孔，此时控制电机每次转动45度，如果设置10个螺钉孔，电机每次转动36度，本领域技术人员可以根据具体工况进行随机选择，这里不再赘述。

可以理解的，在其他一些实施方式中，所述内六角推杆12-5也可以整体都是内六角结构，本领域技术人员可以根据具体情况进行设定，这里不再赘述。可以理解的，在其他一些实施方式中，内六角推杆也可以是五角、八角、九角的，本领域技术人员可以根据具体的公开进行选择设计，当然连杆的端部结构必须与风批和螺钉相匹配，即风批和螺钉与连杆的连接部分随连杆端部接口的变化而适应性的变化。可以理解，在其他一些实施方式中，所述推杆也可以是只有端部为内六角结构，中部为圆杆或者方杆或者其他类型的结构，本领域技术人员可以根据具体情况进行设定，这里不再赘述。

执行器包括外壳14，为圆柱形空腔，间歇旋转机构为分度器，所述圆柱形空腔内同轴布设有用作分度器旋转中轴的圆柱体，圆柱体上每间隔120°设有一条沿轴向的导轨，所述第一风批、第二风批和第三风批分别通过滑块13设置在导轨15中。

本实施例中，所述导轨14为直线导轨，所述直线导轨的两端均设有挡板，用于限定滑块在导轨中的活动范围，且所述滑轨在导轨中的运动方向为分度器的轴向方向。

滑块13的上部分是一类似滑动轴承座的结构，与风批上的轴肩配合，轴承座上有三个螺栓孔，通过拧紧螺栓紧固风批，滑块13的下部分是一“⊥”结构，与圆柱体上的导轨滑槽配合，使风批沿着导轨滑槽滑动。

上述面向四肢骨折的一体化手术系统包括牵引复位、钢板插入和置钉三个阶段， 具体实现过程如下：

阶段一：基于骨骼夹持装置、实时追踪系统、骨骼外固定装置和并联牵引装置，实现牵引复位。工作原理如下：

(1)根据负重情况，在骨折近端和远端各打入合适数量、长度和直径的螺纹针，螺纹针上均设有磁导航传感器；基于两个骨骼外固定装置分别通过螺纹针与近端和远端建立刚性连接，使骨折近端和远端不会发生相对移动；

(2)将患者连同骨骼外固定装置、螺纹针进行CT扫描，得到其CT图像；在该过程中，将患者固定于手术床上，并进行注册；

将CT图像导入到三维数字医疗软件中，生成骨骼外固定装置和断骨的三维模型；基于复位轨迹规划方法进行虚拟复位，得到最优复位轨迹并进行显示，同时还可以显示近端和远端的当前状态；

(3)将机械臂拖动到合适位置，拆除骨骼外固定装置对断骨远端的固定，并采用机械臂末端的骨骼夹持装置夹紧刺入断骨远端的骨针，并锁死使断骨远端与机械臂末端紧固成一体；此时断骨远端和断骨近端相对位置仍与扫描CT时相同；

(4)根据得到的复位轨迹控制机械臂执行复位操作。复位过程中，微处理器结合螺纹针的位置信息给出当前复位状态并显示。

(5)复位完成后，拆除骨骼夹持装置对远端螺纹针的夹持，重新采用骨骼外固定装置夹持螺纹针，以实现已复位远端的固定；

优选地，在该步骤(5)中，若不是多段骨折，则无须更换。

通过在骨骼外固定装置和骨骼夹持装置上设置相配合的标定针和标定孔，能够将两个装置在同一机械坐标系统下，然后借助三维建模技术，实现了机械坐标系和三维模型空间坐标系的统一，保证了在三维空间中执行的虚拟复位结果能够提供现实参考，使得系统能够实现精准的自动复位。

阶段二：基于钢板插入辅助装置，实现钢板插入。工作原理如下：

(1)将机械臂、导航系统和影像系统进行注册，使之坐标系统一；将复位后的断骨虚拟模型及钢板的虚拟模型进行显示；

(2)将钢板插入辅助装置3安装到机械臂末端1上，将钢板插入辅助装置3与钢板固定连接；

(3)驱动机械臂将钢板移动到钢板植入点，并记录钢板的实时位置；

(4)根据目标位置和实时的钢板位置，规划钢板插入轨迹；

(5)按照规划的轨迹，控制机械臂移动，将钢板按照规划估计插入至目标位置；

(6)将钢板与复位后的断骨固定，分离钢板和钢板插入辅助装置3，机械臂复位到初始位置，完成钢板插入。钢板插入过程中，并根据实时获取的钢板位置实时更新钢板在显示界面中的位置，直到将钢板移动至目标位置。

优选地，在步骤(6)中，对于三机械臂结构，钢板插入后无需将其与机械臂分离，直接保持各自位置，直到置钉结束后一起拆除；同时该步骤也适用于复位过程。

通过可视化显示能够提高操作的直观性，能够将自动执行过程的错误操作及时停止或者进行纠正，提高操作的安全性。

将钢板插入辅助装置作为中间件实现机械臂与钢板的稳定可靠固定，在导航系统的引导下，通过对钢板插入轨迹的规划，应用机械臂将钢板准确插入，不需要反复透视，提高了操作的安全性和稳定性。

阶段三：基于锁定螺钉置入执行器进行置钉。工作原理如下：

(1)插入钢板至断骨连接处后，记录钢板上所有螺纹孔的中心线方向；

(2)控制机械臂运动到第一个固定位置，使导向管的轴线与步骤(2)记录的钢板上第一个螺纹孔的中心线对齐；

(3)控制机械臂运动，使导向管穿刺皮肤肌肉组织到达第一个螺纹孔上方2mm-3mm，本实施例中优选为2.5mm，当然，本领域技术人员可以根据具体情况在2mm-3mm的范围内任意选择，如2.6mm、2.7mm或者2.8mm。

(4)气泵通气，推动第一风批通过滑块沿着导轨下移，使得破皮尖刀刺穿皮肤、肌肉直达骨面；尖刀破皮线应与肢体纵轴平行，以最大程度减少对周围血管及组织的影响；

分度器旋转120度，气泵推动风批向下，当接触骨面产生压力后，第二风批开始启动，钻头钻穿皮质后自动停止；

分度器再旋转120度，螺钉在转盘的作用下对准通道，锁定螺钉在第三风批的作用下拧入骨骼；

(5)当螺钉拧到预定深度后，扭力达到第三风批预设值，第三风批停止转动，第三风批后移退出第一个螺钉孔的位置；

(6)控制机械臂运动到下一个固定位置，使导向管的轴线与步骤(2)记录的钢板上第二个螺纹孔的中心线对齐，重复步骤(4)(5)(6)直至最后一颗螺钉拧入钢板。

通过第一风批、第二风批、第三风批和分度器的配合，实现了锁定螺钉的连续快速置入，极大的提高了钢板固定的效率，极大的减少了手术的时间。通过自动化置钉的方式，只需一次操作即可准确快速的实现一个螺钉的置入，且螺钉的扭矩和置入深度可控，极大的提高了置钉的效果。

实施例二

本实施例的目的是提供一种控制方法，应用于实施例一中的微处理器。在系统执行复位、钢板置入和置钉操作过程中，被配置为执行以下步骤：

准备步骤：将骨骼夹持装置安装到机械臂末端、采用骨骼外固定装置固定断骨的近端和远端、以及将钢板插入辅助装置安装到机械臂末端、将钢板插入辅助装置与钢板固定连接后，获取包含电动手术床、患肢、骨骼外固定装置、钢板在内的CT图像，进行三维建模；

复位控制步骤：

(1)将骨骼夹持装置安装在机械臂末端后，实时获取骨骼夹持装置上的标定针针尖坐标；向机械臂发送控制指令，使其带动骨骼夹持装置的标定针分别插入骨骼外固定装置上的金属球，得到各个金属球球心的坐标；

(2)在骨骼夹持装置上安装万向夹持器，并且采用其中一个万向夹持器固定断骨远端、拆除骨骼外固定装置对断骨远端的固定后，对三维模型进行体分割，将断骨远端和近端分割成两个部分，且保证骨骼外固定装置的金属球与断骨近端划分在一个部分中；

(3)根据各个金属球球心的坐标，在三维模型空间中相应位置生成与金属球等大的球体模型；基于三维模型空间中生成的球体模型和三维模型(基于CT图像重建的模型)中的球体，使三维模型的坐标系与机械坐标系统一；

(4)将机械臂末端法兰盘中心点记为参考点，设置该点与断骨远端相对位置固定，对断骨远端进行虚拟复位，模拟断骨远端从当前位置与断骨近端断面的吻合过程，选取该过程中的多个过渡位置，并分别记录各过渡位置处参考点相对与初始位置的位移以及偏转姿态数据，得到复位路径数据；

(5)基于复位路径数据生成控制指令发送至复位机械臂。

钢板置入控制步骤：

(1)向钢板置入机械臂发送控制指令，驱动该机械臂将钢板移动到钢板植入点，并记录钢板的实时位置；

(2)根据目标位置和钢板位置，规划钢板插入轨迹；

(3)基于规划的轨迹生成控制指令发送至钢板置入机械臂，控制机械臂移动，将钢板按照规划估计插入至目标位置，并记录钢板上所有螺纹孔的中心线方向。当厂家不提供钢板的具体CAD图纸时，采用如下方式确定钢板的中心线：

1)对所选钢板进行逆向建模，保持钢板大小尺寸不变；

2)在所选钢板上拧入配套套筒，套筒的方向就是中心线的方向；

3)应用机械臂钻头从第一个孔插入，记录中心线方向，顺序记录，将路点信息编程脚本文件。当选择此钢板时，在钢板插入后，自动执行置钉程序，完成置钉；因在刚插入时不一定准确，容易造成碰撞，所以选用的套筒长度比实际长。

置钉步骤：

(1)控制置钉机械臂运动到第一个固定位置，使导向针管的轴线与上述记录的钢板上第一个螺纹孔的中心线对齐；

(2)控制置钉机械臂运动，使导向管穿刺皮肤肌肉组织到达第一个螺纹孔上方2mm-3mm，本实施例中优选为2.5mm，当然，本领域技术人员可以根据具体情况在2mm-3mm的范围内任意选择，如2.6mm、2.7mm或者2.8mm。

然后通过气泵通气，推动第一风批通过滑块沿着导轨下移，使得破皮尖刀刺穿皮肤、肌肉直达骨面；

控制分度器旋转120度，气泵推动风批向下，当接触骨面产生压力后，第二风批开始启动，钻头钻穿皮质后自动停止；

控制分度器再旋转120度，螺钉在转盘的作用下对准通道，锁定螺钉在第三风批的作用下拧入骨骼；

(4)当螺钉拧到预定深度后，扭力达到第三风批预设值，第三风批停止转动，第三风批后移退出第一个螺钉孔的位置；

(5)控制机械臂运动到下一个固定位置，使导向针管的轴线与步骤(2)记录的钢板上第二个螺纹孔的中心线对齐，重复步骤(2)(3)(4)直至最后一颗螺钉拧入钢板。

以上实施例采用“虚拟仿真+实际操作”虚实交互的操作模式，能够在不切开刀的情况下获得更高精度的骨折复位轨迹、准确的钢板插入路径和置钉位置，能够极大程度上降低手术风险，减少病人的痛苦；以上实施例执行系统选用高精度机械臂，能够精确地执行指定操作，排除了医生的不确定因素的影响，同时对操作人员要求较低，有利于使更多的医疗机构具有精确骨折复位的能力。

以上实施例具有很好的通用性，不仅对于四肢骨折，对于其他部位的骨折，通过在合适位置刺入骨针也能达到良好的复位效果。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

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)

1.一种面向四肢骨折的一体化手术系统，其特征在于，包括：电动手术台、三个机械臂、机械臂控制柜和微处理器；所述三个机械臂分别通过可移动基座连接在电动手术台上，三个机械臂末端分别用于连接断骨夹持装置、钢板插入辅助装置和锁定螺钉置入执行器；微处理器连接机械臂控制柜，用于分别向三个机械臂发送复位、钢板插入和螺钉置入控制指令。

2.如权利要求1所述的面向四肢骨折的一体化手术系统，其特征在于，电动手术台包括手术台基座和手术台主体，所述手术台基座上设有曲形托架和机械臂定位装置，分别用于安装骨骼外固定装置和可移动基座。

3.如权利要求1所述的面向四肢骨折的一体化手术系统，其特征在于，所述骨骼夹持装置包括固定基座，所述固定基座用于连接万向夹持器；所述固定架用于与机械臂末端连接；所述万向夹持器包括滑动杆和设置在滑动杆上的末端夹持机构，通过万向转动部件与固定架连接，其中，所述末端夹持机构用于夹持螺纹针。

4.如权利要求2所述的面向四肢骨折的一体化手术系统，其特征在于，所述骨骼外固定装置包括固定底座、竖直支架、曲面固定架和夹持器，所述夹持器与竖直支架旋转连接，所述夹持器包括滑动杆和设置在滑动杆上的末端夹持机构，其中，所述末端夹持机构用于夹持螺纹针。

5.如权利要求3或4所述的面向四肢骨折的一体化手术系统，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。

6.如权利要求3所述的面向四肢骨折的一体化手术系统，其特征在于，所述骨骼夹持装置上还设有标定针，所述骨骼外固定装置的曲面固定架上设有多个不共面的标定孔，标定针和标定孔的尺寸相对应。

7.如权利要求1所述的面向四肢骨折的一体化手术系统，其特征在于，所述钢板辅助插入装置包括与待插入钢板的夹持部表面弧度匹配的板体，板体上设置机械臂末端连接部、至少三个不共线的凸起和至少一个固定孔；其中，所述至少三个不共线的凸起和至少一个固定孔分别与待插入钢板上的凹槽和固定孔相匹配。

8.如权利要求1所述的面向四肢骨折的一体化手术系统，其特征在于，所述锁定螺钉置入执行器包括驱动机构、螺钉容纳机构和中空的导向管；所述驱动机构包括风批以及与风批连接的杆件，所述风批包括沿间歇旋转机构间隔预设角度分布的第一风批、第二风批和第三风批，所述第一风批通过第一杆件与破皮尖刀连接，所述第二风批通过第二杆件与钻头连接；所述螺钉容纳机构设有用于放置螺钉的第一通孔，所述导向针管与螺钉容纳机构连接，置钉时第一通孔和导向管贯通，且第三风批连接的第三杆件、第一通孔和导向管的轴线共线。

9.如权利要求8所述的面向四肢骨折的一体化手术系统，其特征在于，所述执行器包括圆柱形空腔，间歇旋转机构为分度器，所述圆柱形空腔内同轴布设有用作分度器旋转中轴的圆柱体，圆柱体上每间隔120°设有一条沿轴向的导轨，所述第一风批、第二风批和第三风批分别通过滑动件设置在导轨中。

10.一种应用于如权利要求1-9任一项所述手术系统中的控制方法，其特征在于，包括：

准备步骤：获取包含电动手术床、患肢、骨骼外固定装置、钢板在内的CT图像，进行三维建模；

复位控制步骤：获取骨骼夹持装置上各个金属球的球心坐标，在三维模型空间中基于上述球心坐标生成相同大小的金属球模型；

基于三维模型空间中生成的金属球模型和三维模型中的金属球，使三维模型的坐标系与机械坐标系统一；

对断骨远端进行虚拟复位，得到复位路径数据发送至机械臂；

钢板插入控制步骤：向钢板置入机械臂发送控制指令，驱动该机械臂将钢板移动到钢板植入点，并记录钢板的实时位置；

根据目标位置和钢板位置，规划钢板插入轨迹；

基于规划的轨迹生成控制指令发送至钢板置入机械臂，记录钢板上所有螺纹孔的中心线方向；

置钉控制步骤：控制机械臂运动到第一个固定位置，使导向针管的轴线与记录的钢板上第一个螺纹孔的中心线对齐；

控制机械臂运动，使导向针管穿刺到达第一个螺纹孔上方预设距离；

通过控制气泵通气和分度器旋转，控制螺钉拧入该螺纹孔；

控制机械臂运动到下一个固定位置，使导向针管的轴线与记录的钢板上第二个螺纹孔的中心线对齐，重复上述直至最后一颗螺钉拧入钢板。

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