CN115869072B - 一种骨折复位机器人系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种骨折复位机器人系统及其控制方法，其中系统包括：机械臂，为两个，分别与待复位骨头两部分刚性连接，其末端均设有在透视图像上可见的标记点；透视设备，用于对待复位骨头进行多视角的透视拍摄；视觉跟踪系统，用于识别透视设备的位姿；上位机，用于根据透视设备在透视时刻的位姿建立透视图像和视觉跟踪系统之间的映射关系，以及根据在各透视图像上标注的复位关键特征确定待复位骨头两部分的运动量，并控制对应机械臂运动。本发明无需大量的X射线透视，减小医生的辐射隐患，有效降低医源性风险，且具有较高的复位精度及复位效率。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种骨折复位机器人系统及其控制方法。
背景技术
骨折是创伤骨科最常见的病症，尤其是四肢骨折。传统的骨折复位手术需要医生对肌肉进行牵引，借助X射线透视进行手动复位，但是肌张力的存在使骨折复位成为一项耗费医生体能的工作，复位精度及复位效率一致性较差且医源性风险难以控制，而且光靠医生手动复位需要术中进行大量的X射线透视，也给手术医生带来较大的辐射隐患。另外，人手的操作精度远低于机器人的操作精度，因此需要设计一种机器人辅助骨折复位系统，辅助医生完成骨折复位。
发明内容
发明目的：本发明提出了一种骨折复位机器人系统及其控制方法，无需大量的X射线透视，减小医生的辐射隐患，有效降低医源性风险，且具有较高的复位精度及复位效率。
技术方案：一种骨折复位机器人系统，包括：
机械臂，为两个，分别与待复位骨头两部分刚性连接，其末端均设有在透视图像上可见的标记点；
透视设备，用于对待复位骨头进行多视角的透视拍摄；
视觉跟踪系统，用于识别透视设备的位姿；
上位机，用于根据透视设备在透视时刻的位姿建立透视图像和视觉跟踪系统之间的映射关系，以及根据在各透视图像上标注的复位关键特征确定待复位骨头两部分的运动量，并控制对应机械臂运动。
所述透视设备为C型臂X射线机，在C型臂上设有可被视觉跟踪系统识别的标记物。
所述机械臂末端上的标记点为至少三个。
一种应用前述骨折复位机器人系统的控制方法，包括步骤：
通过透视设备对待复位骨头进行多视角的透视拍摄；
获取透视设备在透视时刻的位姿并建立透视图像与视觉跟踪系统之间的映射关系；
根据在各透视图像上标注的复位关键特征确定待复位骨头两部分的运动量，并控制对应机械臂运动。
所述复位关键特征包括：待复位骨头各部分的边界轮廓线、在骨折处的截面轮廓线及其质心点以及在两部分截面对齐以后重合的旋转偏移特征点。
所述旋转偏移特征点根据待复位骨头两部分的解剖学特征进行识别标注。
所述根据在各透视图像上标注的复位关键特征确定待复位骨头两部分的运动量，并控制对应机械臂运动，具体包括：
将在各透视图像上标注的复位关键特征映射至视觉跟踪系统坐标系下，建立待复位骨头两部分的截面坐标系；
在各透视图像中识别得到机械臂末端上的标记点，将其映射至视觉跟踪系统坐标系下，并据此建立两机械臂对应的末端坐标系；
根据机械臂的末端坐标系至其对应机械臂坐标系的已知的变换关系以及待复位骨头各部分的截面坐标系间的变换关系，计算得到机械臂末端的运动量。
所述建立透视图像与视觉跟踪系统之间的映射关系具体包括：
根据待复位骨头的多视角的透视图像，采用多视角几何结合相应的标记点进行空间定位模型校准；
根据透视设备在透视时刻的位姿建立透视图像与视觉跟踪系统之间的映射关系。
对待复位骨头两部分分别进行至少两个视角的透视拍摄，且单张透视图像上包含机械臂末端的标记点。
待复位骨头各部分不同视角的透视图像的拍摄时透视设备的旋转角度差异大于45°。
有益效果：本发明基于C臂透视图像标注的视觉辅助的机器人辅助骨折复位方法，无需大量的X射线透视，减小医生的辐射隐患，有效降低医源性风险，且具有较高的复位精度及复位效率。
附图说明
图1为本发明的设备连接示意图；
图2为本发明的流程图；
图3为骨头夹持示意图；
图4为骨折复位关键特征标注的示意图；
图5为建立各骨头界面坐标系的示意图。
其中，1.视觉跟踪系统，2.上位机，3.C型臂X射线机，4.第一机械臂，5.第二机械臂，6.待复位骨头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明的设备连接示意图，如图1所示，本发明的骨折复位机器人系统包括视觉跟踪系统1、上位机2、C型臂X射线机3及分别用于夹持待复位骨头6两部分的第一机械臂4和第二机械臂5；其中，视觉跟踪系统1用于获取机械臂上和C型臂上可供视觉跟踪系统识别的标记物以定位机械臂、C型臂的位姿；第一机械臂4和第二机械臂5的末端均安装有在透视图像上为明显特征信息的标记点；上位机2将视觉跟踪系统1反馈的各部件的位姿建立关联，建立透视图像和视觉跟踪系统之间的映射关系，根据在各透视图像上标注的复位关键特征计算各机械臂的目标位姿，从而确定待复位骨头两部分的运动量，进而控制机械臂进行复位运动，在复位运动过程中通过视觉跟踪系统实时识别机械臂上标记物的位姿以确保机械臂运动到位；C型臂X射线机3通过透视投影模型对待复位骨头骨折处进行透视成像。
在本发明中，机械臂上和C型臂上可供视觉跟踪系统识别的的标记物和机械臂末端上在透视图像上为明显特征信息的标记点可以单独设置，即可以设置若干标记物用于视觉跟踪系统识别，然后再设置若干标记点作为透视图像上的明显特征信息；也可以将机械臂上的标记物和标记点设置为一体，采用以金属小球为内芯的反光球，可供视觉跟踪系统识别，同时也可以在透视图像上明显可见。
本发明的骨折复位机器人系统的控制方法如图2所示，包括如下步骤：
（1）通过两机械臂分别夹持骨折待复位骨头的两部分，以辅助该两部分骨头移动复位；
在本发明中，机械臂对骨折待复位的骨头进行夹持时，需保证相应的机械臂末端与被加持骨头之间的刚性连接；如图3所示，本发明中，每一机械臂末端上的标记点为三个，进一步地，在机械臂末端上安装金属小球作为标记点；
另外，本发明以下肢长骨骨折复位为例，设置夹持骨折腿骨上部分的机械臂上的特定标记点为p 1、p 2、p 3，夹持骨折腿骨下部分的机械臂上的特定标记点为p 4、p 5、p 6，如图3、4、5所示。
（2）对待复位骨头进行多视角的透视拍摄；
待两机械臂对对骨折待复位的骨头夹持完毕后，保持病人被夹持骨头及机械臂位置不动，通过C型臂X射线机对待复位骨头进行多视角的透视拍摄，透视方向为垂直于待复位骨头方向；
更进一步地，本发明对待复位骨头两部分分别需要进行至少两个视角的透视拍摄；在进行透视拍摄时，需保证待复位骨头及相应的用于夹持的机械臂末端在C型臂X射线机的成像范围内，即单张透视图像上需保证包含机械臂末端的标记点及相应的待复位骨头部分；另外，为保证空间定位精度，待复位骨头各部分不同视角的透视图像的拍摄时C型臂之间具有较大的旋转角度差异，本发明中以大于45度为宜，且透视过程中需保证视觉跟踪系统能够跟踪得到C型臂的位姿及机械臂的位姿。
（3）建立透视图像与视觉跟踪系统之间的映射关系；
根据步骤（2）得到的待复位骨头两部分的多视角的透视图像采用多视角几何结合相应的标记点进行空间定位模型校准，并根据视觉跟踪系统定位得到的C型臂在透视时刻的位姿建立透视图像与视觉跟踪系统之间的映射关系。
（4）在待复位骨头两部分的多视角的透视图像上标注复位关键特征；
在步骤（2）得到的待复位骨头两部分的多视角的透视图像上标注复位关键特征；
本发明中，标注的复位关键特征包括待复位骨头两部分的轴线、边界轮廓线、在骨折处的截面轮廓线和截面轮廓线质心点以及用于标识待复位骨头两部分旋转偏移量的旋转偏移特征点，其中，旋转偏移特征点分别标注于待复位骨头两部分上，且二者相对应标注，标注后需使得待复位骨头两部分的截面对齐以后二者重合，从而可以确定待复位骨头两部分的相对旋转偏移量，此点可根据待复位骨头两部分的解剖学特征进行识别标注；本发明可以通过医生在各透视图像中标出待复位腿骨的关键位置；如图4所示，本发明以腿骨骨折复位为例，图中，
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分别表示上下腿骨的轴线，/>
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分别表示上下腿骨的边界轮廓线，/>
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分别表示待对齐上下腿骨的截面轮廓线，/>
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分别表示上下腿骨的截面轮廓线质心点，/>
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分别表示上下腿骨的旋转偏移特征点。/>
（5）根据步骤（4）标注的复位关键特征确定复位时待复位骨头两部分的运动量，并据此控制对应机械臂运动；
根据待复位骨头两部分的边界轮廓线、在骨折处的截面轮廓线和截面轮廓线质心点以及用于标识待复位骨头两部分旋转偏移量的旋转偏移特征点，计算得到复位时待复位骨头各部分的平移量和旋转量，将其转化为对应机械臂的平移量和旋转量，并据此控制对应机械臂运动；
具体地，包括如下步骤：
（51）根据步骤（3）建立的透视图像与视觉跟踪系统之间的映射关系将步骤（4）标注的复位关键特征映射至视觉跟踪系统坐标系下，并据此建立待复位骨头各部分的截面坐标系
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，其中，截面坐标系/>
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的原点分别为步骤（4）得到的待复位骨头各部分在骨折处的截面轮廓线质心点，如图5所示；
（52）在各透视图像中识别得到机械臂末端上的特定标记点，根据步骤（3）建立的透视图像与视觉跟踪系统之间的映射关系将其映射至视觉跟踪系统坐标系下，并据此建立夹持待复位骨头各部分的机械臂末端坐标系
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，如图5所示；
（53）完成待复位骨头各部分的复位；
待复位骨头各部分的复位等价于待复位骨头各部分在骨折处的截面轮廓线质心点和截面轮廓线的对齐重合，因待复位骨头各部分的截面坐标系
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已统一至视觉跟踪系统坐标系下，则可计算得到/>
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的变换为：
本实施例中以腿骨骨折为例，假设上腿骨不动，以
为变换基准则下腿骨需进行T 0变换才可与上腿骨完成对齐复合；
因为
为夹持下腿骨的机械臂末端坐标系，其与其机械臂坐标系的相对位置关系为已知，设当前/>
至机械臂坐标系的变换为T 1，夹持下腿骨的机械臂末端在机械臂坐标系下的位姿变换为/>
；
为控制机械臂的合理运动，T 2需分解为夹持下腿骨的机械臂末端的旋转运动T w 和平移运动T p ，可直接由机械臂逆解结合路径规划得到，实际过程中，是先进行旋转对齐还是平移对齐，取决于医生根据手术现场的决定。
本发明中，也可以假设下腿骨不动，那么根据前述步骤求解夹持上腿骨的机械臂的运动变换即可。
在本发明中，在控制机械臂进行复位运动时通过视觉跟踪系统实时识别机械臂上标记物的位姿，从而得到机械臂的实时位姿，以确保机械臂运动到位。
本发明通过在不同位姿处对骨折部位进行透视，对C型臂各个位姿处的不同透视图像进行空间配准，同时在透视图像上进行骨折关键位置处进行标注，结合空间定位信息及标注信息，定位骨折拼接处的目标位姿，进而控制机械臂完成骨折的辅助复位工作，无需大量的X射线透视，减少医生的辐射隐患，有效降低医源性风险，且具有较高的复位精度及复位效率。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换（如数量、形状、位置等），这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种骨折复位机器人系统，其特征在于：包括：
机械臂，为两个，分别与待复位骨头两部分刚性连接，其末端均设有在透视图像上可见的标记点；
透视设备，用于对待复位骨头进行多视角的透视拍摄；
视觉跟踪系统，用于识别机械臂和透视设备的位姿；
上位机，用于根据透视设备在透视时刻的位姿建立透视图像和视觉跟踪系统之间的映射关系，以及根据在各透视图像上标注的复位关键特征确定待复位骨头两部分的运动量，并控制对应机械臂运动；
所述建立透视图像与视觉跟踪系统之间的映射关系具体包括：
根据待复位骨头的多视角的透视图像，采用多视角几何结合相应的标记点进行空间定位模型校准；
根据透视设备在透视时刻的位姿建立透视图像与视觉跟踪系统之间的映射关系；
所述根据在各透视图像上标注的复位关键特征确定待复位骨头两部分的运动量，并控制对应机械臂运动，具体包括：
将在各透视图像上标注的复位关键特征映射至视觉跟踪系统坐标系下，建立待复位骨头两部分的截面坐标系；
在各透视图像中识别得到机械臂末端上的标记点，将其映射至视觉跟踪系统坐标系下，并据此建立两机械臂对应的末端坐标系；
根据机械臂的末端坐标系至其对应机械臂坐标系的已知的变换关系以及待复位骨头各部分的截面坐标系间的变换关系，计算得到机械臂末端的运动量。
2.根据权利要求1所述的骨折复位机器人系统，其特征在于：所述透视设备为C型臂X射线机，在C型臂上设有可被视觉跟踪系统识别的标记物。
3.根据权利要求1所述的骨折复位机器人系统，其特征在于：所述机械臂末端上的标记点为至少三个。
4.根据权利要求1所述的骨折复位机器人系统，其特征在于：所述复位关键特征包括：待复位骨头各部分的边界轮廓线、在骨折处的截面轮廓线及其质心点以及在两部分截面对齐以后重合的旋转偏移特征点。
5.根据权利要求4所述的骨折复位机器人系统，其特征在于：所述旋转偏移特征点根据待复位骨头两部分的解剖学特征进行识别标注。
6.根据权利要求1所述的骨折复位机器人系统，其特征在于：对待复位骨头两部分分别进行至少两个视角的透视拍摄，且单张透视图像上包含机械臂末端的标记点。
7.根据权利要求1所述的骨折复位机器人系统，其特征在于：待复位骨头各部分不同视角的透视图像的拍摄时透视设备的旋转角度差异大于45°。
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