CN111134842A - 一种机器人辅助骨折复位的路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法，采用骨折远端姿态调整及基于A*算法的双平面避碰复位路径规划方法。在mimics和Geomagic studio软件中进行基于健侧镜像匹配方法确定骨折偏差参数，在两个不同坐标平面内分别进行基于A*算法的骨折复位路径规划。本发明所述的骨折复位路径规划方法，能有效避免复位中远端的大幅度牵拉以及骨折远端与周围组织碰撞，实现短耗时、高精度、安全避碰的骨折复位操作。具有方法简单、安全有效等优点，适用于机器人辅助股骨、胫骨等长骨骨折复位手术，能够提高骨折复位操作的精度和安全性，提高复位效率，降低医生工作强度。

Description

一种机器人辅助骨折复位的路径规划方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法。

背景技术

手术复位是骨折外科治疗的手段，传统骨折复位操作是医生在X光机引导下进行，难以达到高精度。闭合性骨折复位微创内固定治疗股骨干骨折，具有手术创伤小、骨折愈合快且愈合率高、感染发生率低等优点。但是由于不直接暴露骨折断端，骨折端的复位尤其是旋转复位一直是手术难题。

随着机器人技术发展，国内外开展机器人辅助骨折复位研究。机器人辅助骨折复位手术，医生操作机器人通过X光机来观察患者骨折部位的复位情况，正确合理的术前复位路径规划是保证手术安全的前提，对提高手术精准度、减少患者手术损伤具有重要意义。

机器人辅助骨折复位过程中，需考虑以下几点：

（1）复位过程中，骨折远端不能与骨折周围组织进行碰撞。骨折后，骨骼肌肉组织碰撞及周围软组织引起的牵引力阻碍期望复位运动。如果术前没有进行合理的路径规划，那么神经***、软组织、肌肉组织很容易被拉伸和扭曲，引起患者二次受损伤，其中以神经***的损伤最为严重，损伤后很可能造成不可逆转的后果。为避免机器人复位操作可能造成的二次损伤，提高机器人辅助复位操作的安全性和精准度，缩短手术操作时间，有必要在手术前规划一条合理的、安全的避碰复位路径。

（2）针对闭合式骨折，通常存在位移偏差还有角度旋转偏差。在难以观测到骨折周围内部的情况下，需要进行术前路径规划，实现对骨折的精准、安全复位操作。

（3）机器人辅助手术时，机器人操作臂末端与周围环境间有限的工作空间和碰撞可能性是机器人辅助手术的挑战，手术机器人的末端执行器必须到达患者的解剖目标，并且不能与患者或周围的器械发生碰撞。

路径规划是指在有障碍物的环境中，按照一定的评价标准（如距离、时间、代价等），搜索寻找一条从起始点到目标点的无碰撞路径，其核心是路径规划算法。传统的路径规划算法有人工势场法、模糊逻辑算法、栅格法、自由空间法等。随着人工智能技术的发展，出现一些智能算法用于路径规划，如蚁群算法、遗传算法、神经网络算法等。

术前避碰复位路径规划，是确定机器人辅助骨折复位操作时的移动路径。在此基础上，利用手术导航***进行精准复位操作，将骨折后断裂错位的骨骼恢复到正常解剖位置，并在骨愈合过程中不发生错位。

针对股骨、胫骨等长骨骨折类型，骨折后，远端相对于近端发生轴向偏移、纵向偏移、径向（或横向）偏移和旋转偏移，有6个骨折偏差参数。针对长骨骨折闭合复位，采用机器人辅助骨折复位手术操作，将骨折近端固定于手术床上，机器人辅助将骨折远端对准骨折近端的复位操作。现有技术在机器人辅助手术进行复位时，远端的大幅度牵拉以及骨折远端与周围组织碰撞易发生医疗事故，精度和安全性还存在不足。

发明内容

本发明所述一种机器人辅助骨折复位手术的避碰路径规划方法，将骨折近端固定，机器人的末端与骨折远端牢固联结，机器人带动骨折远端相对于骨折近端避碰移动进行复位操作，直到远端与近端的骨折断面对接到正确的解剖位置，完成机器人辅助骨折复位。本发明所述一种机器人辅助骨折复位手术操作的路径规划方法，即为骨折远端姿态调整及基于A*算法的双平面避碰复位路径规划方法，在mimics和Geomagic studio软件中进行基于健侧镜像匹配方法确定骨折偏差参数，在两个不同坐标平面内分别进行基于A*算法的骨折复位路径规划。本发明所述的骨折复位路径规划方法，能有效避免复位中远端的大幅度牵拉以及骨折远端与周围组织碰撞，实现短耗时、高精度、安全避碰的骨折复位操作。本发明所述机器人辅助骨折复位的术前路径规划方法，具有方法简单、安全可靠等优点，不仅适用于机器人辅助股骨骨折复位手术，也适用于胫骨等长骨骨折复位手术。能够有效提高机器人辅助骨折复位操作的精准度和安全性，提高复位效率，降低射线辐射对医患双方的伤害。

为达到上述目的，本发明所述的路径规划方法的技术方案，包括以下步骤：

一种机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法，包括以下步骤：

1）针对长骨骨折闭合复位，采用机器人辅助骨折复位手术操作时，骨折近端固定不动，机器人辅助将骨折远端对准近端进行复位操作；

2）术前，根据医生提供的患者术前的骨折侧和健侧骨的CT扫描数据，采用逆向建模方法，进行重建获得骨折侧和健侧骨的三维数字化模型；

3）基于健侧镜像配准的复位原则，在mimics和Geomagic studio软件中，通过图像配准方法，确定骨折轴向、纵向、径向或横向的移位偏差和旋转偏差，并分析骨折移位和旋转偏差值；确定骨折偏差值是进行复位路径规划的基础；

4）骨折远端空间姿态调整：

由机器人调整骨折远端相对于近端姿态，使其相对于骨折近端达到合理的解剖姿态，同时由固定在骨折远端的NDI光学跟踪阵列实时测试骨折远端的3个姿态角，保证骨折远端的姿态调整以及完成复位后满足复位精度要求；

5）复位路径规划准备：

首先，给出骨折模型的栅格图，栅格的数量和间距遵循两个条件：

（1）栅格间距小于复位精度；

（2）满足精度前提下准确的表示障碍物的形状；

然后，将骨折远端和骨折近端各自的下半部分近似为圆柱形，舍弃近端和远端不影响复位路径的部分；

6）避碰路径规划：

利用基于A*算法的骨折复位路径规划算法，确定最佳避碰复位路径；

7）复位路径规划：

将长骨骨折三维数字化模型，分别投影到两个直角坐标平面内，在两个平面内分别采用A*算法进行复位路径规划；

8）将基于A*算法规划的复位路径规划所获得的数据点的坐标保存为数据文件，并传输给复位机器人控制器，机器人控制骨折远端按照所规划的复位路径进行复位手术操作；

9）在骨折远端和近端分别固定NDI光学跟踪***导航架，并测试骨折近端和远端的空间位姿；骨折近端和远端分别固定一个NDI定位***的光学跟踪阵列，测试骨折近端和远端相对空间姿态。

作为本发明优选的技术方案，在所述在步骤6）中，采用基于A*算法的双平面避碰复位路径规划方法，确定骨折复位路径；将骨折近端和远端投影到两个直角坐标平面内，在两个坐标平面内分别采用A*算法进行复位路径规划。

作为本发明优选的技术方案，在所述在步骤6）中，A*算法通过估计函数来确定搜索方向，从起点开始向周围扩展，通过估价函数计算得到周围每个节点的代价值，选择最小代价节点作为下一个扩展节点，重复这一过程直到达到目标点，生成最终复位路径。

作为本发明优选的技术方案，在所述在步骤1）中，针对股骨或胫骨的长骨骨折，采用机器人辅助进行闭合式复位手术操作时，将骨折近端固定于手术床上，机器人辅助将骨折远端对准骨折近端的复位操作。

作为本发明优选的技术方案，在所述在步骤4）中，导航架固定于骨折远端，机器人根据骨折旋转偏差值进行骨折远端的姿态调整，并实时观察导航架与NDI基准坐标系间的姿态角，直至骨折远端姿态调整到位。

作为本发明优选的技术方案，在所述在步骤5）中，投影到直角坐标平面内的骨折模型投影图中，确定进行骨折复位路径规划的起始点、终止点以及路径上的若干障碍点一系列特征点，其中障碍点作为复位路径规划的避障约束点，以保证复位操作时应避免股骨远端与近端发生碰撞。

本发明在采用A*算法进行路径规划前，需要给出骨折模型的栅格图。栅格的数量和间距遵循两个条件：栅格间距小于复位精度；满足精度前提下准确的表示障碍物的形状。将骨折远端和骨折近端各自的下半部分近似为圆柱形，舍弃近端和远端不影响复位路径的部分。确定进行骨折复位路径规划的起始点、终止点以及路径上的若干障碍点等特征点。考虑复位操作时的软组织平衡和断骨周围组织的避碰问题。由于骨折周围组织比较复杂，为避免复位术中出现二次损伤，复位操作时应避免股骨远端与近端发生碰撞，在骨折模型的投影图中设置一系列障碍点，作为复位路径规划的避障约束点。

作为本发明优选的技术方案，在所述在步骤6）中，基于A*算法的骨折复位路径规划算法。基于栅格法的A* 算法能更快更有效地确定最佳避碰复位路径。A*算法在栅格图上进行路径规划时，假设每个栅格的中心为节点，这样每个节点的相邻节点限制为8个，其移动方向角也限制为的整数倍。

作为本发明优选的技术方案，A*算法通过一个估计函数来确定搜索方向，从起点开始向周围扩展，通过估价函数计算得到周围每个节点的代价值，选择最小代价节点作为下一个扩展节点，重复这一过程直到达到目标点，生成最终复位路径。

作为本发明优选的技术方案，在搜索过程中，由于路径上的每个节点都是具有最小代价的节点，因此得到的路径代价是最小的。A*算法的估价函数为：。其中，表示从起始点经过任意节点到达目标点的估价函数，表示起始点到节点的实际代价，表示节点n到目标点的估计代价。

曼哈顿距离：在欧几里德空间的固定直角坐标系上两点所形成的线段对轴产生的投影的距离总和，是将多个维度上的距离求和得到的结果。如平面上节点与节点间的曼哈顿距离为。欧几里得距离：在二维空间中的欧几里得距离就是两点之间的距离。如平面上节点与节点间的欧几里得距离为。

作为本发明进一步优选的技术方案，在所述在步骤6）中，计算估价函数时，使用了曼哈顿距离和欧氏距离的计算公式；当节点沿栅格图的边长方向搜索时，采用曼哈顿距离公式计算；当节点沿栅格图的对角线方向搜索时，采用欧几里得距离公式计算。

经重复测试，本发明所述的骨折复位避碰路径规划方法，成功解决机器人辅助骨折复位手术路径。

综上所述，本发明机器人辅助骨折复位手术操作的路径规划方法，即为骨折远端姿态调整及基于A*算法的双平面避碰复位路径规划方法，在mimics和Geomagic studio软件中进行基于健侧镜像匹配方法确定骨折偏差参数，在两个不同坐标平面内分别进行基于A*算法的骨折复位路径规划。本发明所述的骨折复位路径规划方法，能有效避免复位中远端的大幅度牵拉以及骨折远端与周围组织碰撞，实现短耗时、高精度、安全避碰的骨折复位操作。具有方法简单、安全有效等优点，适用于机器人辅助股骨骨折复位手术，能够提高骨折复位操作的精度和安全性，提高复位效率，降低射线辐射对医患双方的伤害。

本发明与现有技术对比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明所述为一种机器人辅助骨折复位手术操作的路径规划方法，即为骨折远端姿态调整及基于A*算法的双平面避碰复位路径规划方法。

2.本发明基于健侧镜像的复位原则，采用基于图像匹配的骨折偏差确定方法。在mimics和Geomagic studio软件中进行健侧镜像匹配，确定骨折偏差参数。

3.本发明所述的双平面复位路径规划方法，在两个直角坐标平面内分别采用A*算法进行复位路径规划，而基于栅格法的A* 算法能更快更有效地确定最佳避碰复位路径。

4.本发明综合考虑骨折复位操作中的骨折远端与周围组织的避碰，有效提高机器人辅助复位手术操作的安全性和精准性。

5.本发明所述方法具有一定的普适性，不仅适用于股骨骨折，也适用于胫骨等其他长骨骨折类型。

6.本发明所述的骨折复位路径规划方法，具有方法简单、安全有效等优点，能够有效提高骨折复位操作的精度和安全性，提高复位效率，降低射线辐射对医患双方的伤害。

附图说明

图1为本发明基于逆向建模技术重建的骨折侧和健侧的骨模型图。

图2为本发明基于健侧镜像配准确定骨折偏差示意图。

图3为本发明骨折模型在yoz平面内的投影示意图。

图4为本发明骨折近端和远端的碰撞临界状态示意图。

图5为本发明骨折模型在yoz平面内的栅格示意图。

图6为本发明yoz平面的复位路径规划结果示意图。

图7为本发明骨折模型的双平面复位路径规划结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明做进一步的说明。

实施例为一患者股骨骨折。合理布置手术床、复位机器人、骨折模型、NDI光学跟踪***等。将NDI光学跟踪***的两个光学跟踪阵列，分别固定在骨折近端和远端，用于测试骨折近端和远端的空间位置和姿态。调节NDI定位***的基准坐标系，调整复位机器人初始位姿，为复位操作做好准备。

在本实施例中，一种机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法，包括以下步骤：

1）针对长骨骨折闭合复位，采用机器人辅助骨折复位手术操作时，骨折近端固定不动，机器人辅助将骨折远端对准近端进行复位操作；当机器人辅助进行骨折复位操作时，将骨折的近端固定于手术床上，骨折远端与机器人的末端固连，并随机器人运动，即机器人将骨折远端相对于骨折近端避碰移动进行复位操作，直到远端与近端的骨折断面对接到正确的解剖位置；

2）术前，根据医生提供的患者术前的骨折侧和健侧骨的CT扫描数据，采用逆向建模方法，进行重建获得骨折侧和健侧骨的三维数字化模型；如图1所示；

3）软件配准确定骨折偏差：

根据基于健侧镜像的骨折侧和健侧骨配准原则，在mimics和Geomagic studio软件中，通过图像配准方法，确定骨折轴向、纵向、径向或横向的移位偏差和旋转偏差，并分析骨折移位和旋转偏差值，进行配准确定骨折偏差，如图2所示；

4）机器人辅助完成骨折远端相对于近端的姿态调整，使得能够在复位后达到理想的解剖姿态；由机器人调整骨折远端相对于近端姿态，使其相对于骨折近端达到合理的解剖姿态，同时由固定在骨折远端的NDI光学跟踪阵列实时测试骨折远端的3个姿态角，保证骨折远端的姿态调整以及完成复位后满足复位精度要求；

5）复位路径规划准备：

采用基于A*算法的双平面避碰复位路径规划。A*算法通过一个估价函数确定搜索方向，从起点开始向周围扩展，通过估价函数计算到周围每个节点的代价值，选择最小代价节点作为下一个扩展节点，重复这一过程直到到达终点，生成最终复位路径；

在直角坐标平面内进行基于A*算法的复位路径规划；将股骨远端和股骨近端各自的下半部分近似为圆柱形，舍弃股骨近端和远端不影响复位路径的部分，并投影到某平面内；骨折近端和远端在直角坐标平面内投影示意图，如图3所示；

6）避碰路径规划：

需考虑复位操作时的软组织平衡和断骨周围组织的避碰问题；由于骨折周围组织比较复杂，为避免复位术中出现二次损伤，复位操作时应避免股骨远端与近端发生碰撞，那么在骨折模型投影图中需实际情况设置障碍点；确定出复位起始点、终止点及若干障碍点等特征点，其中障碍点作为复位路径规划的避障约束点；骨折远端慢慢接近近端即将碰撞时的临界状态示意图，如图4所示，左侧为骨折近端，右侧为骨折远端；设定障碍物范围为图4所示虚线的左侧部分，复位中不能向左侧越过绿色虚线；在平面的骨折复位即从起点移动到终点；

采用A*算法进行骨折复位路径规划前，给出骨折模型的栅格图，如图5所示；栅格数量和间距应遵循两个条件：间距小于复位精度；满足精度的情况下应能尽量准确的表示障碍物的形状；图中符号“x”表示障碍点。骨折近端特征点为，为其最远边界点；远端特征点为，为其内侧边界点。复位起始点为，终止点为；符号@表示规划的复位路径点，如图6所示；

7）复位路径规划时，将骨折远端分别投影到两个直角坐标平面内，在两个坐标平面内，分别采用A*算法进行复位路径规划。采用基于A*算法的双平面避碰复位路径规划方法，确定骨折复位路径，复位路径点的平面坐标值是相对于骨折近端的特征点的坐标，如图7所示；将长骨骨折三维数字化模型，分别投影到两个直角坐标平面内，在两个平面内分别采用A*算法进行复位路径规划；

8）将复位路径规划生成的一系列路径点的坐标值保存为一个数据文件，数据文件传输给复位机器人的控制器，机器人开始按照规划的复位路径移动，并由NDI光学跟踪***实时测试复位路径；

9）在骨折远端和近端分别固定NDI光学跟踪***导航架，并测试骨折近端和远端的空间位姿；骨折近端和远端分别固定一个NDI定位***的光学跟踪阵列，测试骨折近端和远端相对空间姿态。

本实施例机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法。针对股骨、胫骨等长骨骨折类型，骨折后，远端相对于近端发生轴向偏移、纵向偏移、径向或横向偏移和旋转偏移。针对长骨骨折闭合复位，采用机器人辅助骨折复位手术操作，将骨折近端固定于手术床上，机器人辅助将骨折远端对准骨折近端的复位操作。本发明所述一种机器人辅助骨折复位手术操作的路径规划方法，是基于C臂透视二维图像进行复位路径规划，即为骨折远端姿态调整及基于A*算法的双平面避碰复位路径规划方法。本发明上述实施例方骨折复位路径规划方法，能有效避免复位中远端的大幅度牵拉以及骨折远端与周围组织碰撞，实现短耗时、高精度、安全避碰的骨折复位操作。具有方法简单、安全有效等优点，适用于机器人辅助股骨、胫骨等长骨骨折复位手术，能够提高骨折复位操作的精度和安全性，提高复位效率，降低射线辐射对医患双方的伤害。

综上所述，本发明机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法。针对股骨、胫骨等长骨骨折类型，采用将骨折近端固定于手术床上，机器人辅助将骨折远端对准骨折近端的复位操作。骨折后，远端相对于近端发生纵向、横向和旋转移位，有6个骨折偏差参数。本发明所述一种机器人辅助骨折复位手术操作的路径规划方法，即为骨折远端姿态调整及基于A*算法的双平面避碰复位路径规划方法。在mimics和Geomagic studio软件中进行基于健侧镜像匹配方法确定骨折偏差参数，在两个不同坐标平面内分别进行基于A*算法的骨折复位路径规划。本发明所述的骨折复位路径规划方法，能有效避免复位中远端的大幅度牵拉以及骨折远端与周围组织碰撞，实现短耗时、高精度、安全避碰的骨折复位操作。具有方法简单、安全有效等优点，适用于机器人辅助股骨、胫骨等长骨骨折复位手术，能够提高骨折复位操作的精度和安全性，提高复位效率，降低医生工作强度。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）针对长骨骨折闭合复位，采用机器人辅助骨折复位手术操作时，骨折近端固定不动，机器人辅助将骨折远端对准近端进行复位操作；

2）术前，根据医生提供的患者术前的骨折侧和健侧骨的CT扫描数据，采用逆向建模方法，进行重建获得骨折侧和健侧骨的三维数字化模型；

3）基于健侧镜像配准的复位原则，在mimics和Geomagic studio软件中，通过图像配准方法，确定骨折轴向、纵向、径向或横向的移位偏差和旋转偏差，并分析骨折移位和旋转偏差值；

4）骨折远端空间姿态调整：

由机器人调整骨折远端相对于近端姿态，使其相对于骨折近端达到合理的解剖姿态，同时由固定在骨折远端的NDI光学跟踪阵列实时测试骨折远端的3个姿态角，保证骨折远端的姿态调整以及完成复位后满足复位精度要求；

5）复位路径规划准备：

首先，给出骨折模型的栅格图，栅格的数量和间距遵循两个条件：

（1）栅格间距小于复位精度；

（2）满足精度前提下准确的表示障碍物的形状；

然后，将骨折远端和骨折近端各自的下半部分近似为圆柱形，舍弃近端和远端不影响复位路径的部分；

6）避碰路径规划：

利用基于A*算法的骨折复位路径规划算法，确定最佳避碰复位路径；

7）复位路径规划：

将长骨骨折三维数字化模型，分别投影到两个直角坐标平面内，在两个平面内分别采用A*算法进行复位路径规划；

8）将基于A*算法规划的复位路径规划所获得的数据点的坐标保存为数据文件，并传输给复位机器人控制器，机器人控制骨折远端按照所规划的复位路径进行复位手术操作；

9）在骨折远端和近端分别固定NDI光学跟踪***导航架，并测试骨折近端和远端的空间位姿；骨折近端和远端分别固定一个NDI定位***的光学跟踪阵列，测试骨折近端和远端相对空间姿态。

2.根据权利要求书1所述机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法，其特征在于：在所述在步骤6）中，采用基于A*算法的双平面避碰复位路径规划方法，确定骨折复位路径；将骨折近端和远端投影到两个直角坐标平面内，在两个坐标平面内分别采用A*算法进行复位路径规划。

3.根据权利要求书1所述机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法，其特征在于：在所述在步骤6）中，A*算法通过估计函数来确定搜索方向，从起点开始向周围扩展，通过估价函数计算得到周围每个节点的代价值，选择最小代价节点作为下一个扩展节点，重复这一过程直到达到目标点，生成最终复位路径。

4.根据权利要求书3所述机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法，其特征在于：在所述在步骤6）中，在搜索过程中，由于路径上的每个节点都是具有最小代价的节点，因此得到的路径代价是最小的；A*算法的估价函数为：；其中，表示从起始点经过任意节点到达目标点的估价函数，表示起始点到节点的实际代价，表示节点n到目标点的估计代价。

5.根据权利要求书3所述机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法，其特征在于：在所述在步骤6）中，计算估价函数时，使用了曼哈顿距离和欧氏距离的计算公式；当节点沿栅格图的边长方向搜索时，采用曼哈顿距离公式计算；当节点沿栅格图的对角线方向搜索时，采用欧几里得距离公式计算。

6.根据权利要求书1所述机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法，其特征在于：在所述在步骤1）中，针对股骨或胫骨的长骨骨折，采用机器人辅助进行闭合式复位手术操作时，将骨折近端固定于手术床上，机器人辅助将骨折远端对准骨折近端的复位操作。

7.根据权利要求书1所述机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法，其特征在于：在所述在步骤4）中，导航架固定于骨折远端，机器人根据骨折旋转偏差值进行骨折远端的姿态调整，并实时观察导航架与NDI基准坐标系间的姿态角，直至骨折远端姿态调整到位。

8.根据权利要求书1所述机器人辅助骨折复位手术的路径规划方法，其特征在于：在所述在步骤5）中，投影到直角坐标平面内的骨折模型投影图中，确定进行骨折复位路径规划的起始点、终止点以及路径上的若干障碍点一系列特征点，其中障碍点作为复位路径规划的避障约束点，以保证复位操作时应避免股骨远端与近端发生碰撞。

Images