二维图像引导的髓内针远端锁定机器人系统及其锁定方法技术方案

本发明专利技术提出一种二维图像引导的髓内针远端锁定机器人系统及其锁定方法，其中，方法包括：首先调整图像采集设备使得髓内针上的锁孔轮廓在视野中为正圆，随后进行图像畸变校正，随后医生在远程工作站图形界面上指定锁孔位置，随后远程工作站通过图像反馈控制率计算机器人运动量并控制机器人运动。机器人运动后重新采集图像，机器人再根据新的图像调整位置，“成像‑运动”步骤自动迭代若干次，直到导向器准确对准锁孔，此后操作者手动通过导向器在骨头上钻出穿过锁孔的导向孔，然后通过导向孔拧入锁紧螺钉，完成远端锁定。由此，简化了手术操作流程，免去了在病人身上安装光学标志所带来的额外医源性创伤。

【技术实现步骤摘要】
二维图像引导的髓内针远端锁定机器人系统及其锁定方法
本专利技术涉及手术机器人
，尤其涉及一种二维图像引导的髓内针远端锁定机器人系统及其锁定方法。
技术介绍
髓内针内固定术由于其愈合率高和并发症发生率低的优点成为了骨折微创治疗的金标准。然而，髓内针内固定术的手术操作，特别是远端锁定步骤，对于外科医生而言依然具有相当挑战性。远端锁定是指，髓内针插入骨髓腔之后，从骨头外部拧入若干穿过髓内针远端锁孔的螺钉，以此将髓内针与骨投紧密锁定在一起的操作。髓内针的两端(远端和近端)都有若干锁孔。借助连接在髓内针近端的瞄准器或导向器，可以较为容易地执行近端锁孔的锁定。而对于远端锁孔，由于髓内针的变形，必须在X光透视图像的帮助下执行锁定步骤。尽管医生可以使用X光机透视骨头，但要使锁定螺钉通过直径一般小于5毫米的锁孔仍然是困难的操作。不仅如此，为了完成远端锁定操作所需的X光透视次数往往较多，由此造成的X光辐射剂量对医生和患者而言都有较大危害。机器人技术的辅助是一个降低远端锁定操作难度同时减少X光辐射剂量的潜在方案。现有关于机器人辅助远端锁定的研究中有一类基于光学导航的方法，然而光学导航所需的光学标志必须刚性地固定在病人身上，造成了额外的医院创伤。另一类常见的计算机辅助方法基于电磁导航，但这种方法需要配合特殊设计的内含电磁失踪器的髓内针，同时对手术室的电磁环境有着较高的要求。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的第一个目的在于提出一种二维图像引导的髓内针远端锁定机器人系统，该系统对硬件设备要求低，只需使用C型臂X光机提供图像用于反馈控制，而不需要使用光学或电磁导航设备。同时简化了手术操作流程，免去了在病人身上安装光学标志所带来的额外医源性创伤。本专利技术的第二个目的在于提出一种基于手术机器人系统的远端锁定方法。为达上述目的，本专利技术第一方面实施例提出了一种二维图像引导的髓内针远端锁定机器人系统，包括：机械臂、远端锁定装置，其中，所述远端锁定装置由连接臂、钻孔导向器和标定装置组成，其中，所述连接臂的近端可装卸地与所述机械臂末端相连，所述连接臂的远端与所述标定装置连接，所述连接臂的远端与所述钻孔导向器连接；所述标定装置，包括：透X光材料制成的基体，所述基体包括内部，中部和外部，其中，所述中部连接所述内部和所述外部，所述基体上镶嵌有至少8个使用不透X光的材料制成的小球，所述小球被划分为第一组小球和第二组小球，所述第一组小球被镶嵌于所述基体的内部，所述第二组小球被镶嵌于所述基体的外部，所述第一组小球中所有的小球的直径相同，所述第二组小球中所有的小球的直径相同，所述第一组小球和第二组小球中小球的直径不同。为达上述目的，本专利技术第二方面实施例提出了一种基于手术机器人系统的远端锁定方法，所述方法应用于上述的二维图像引导的髓内针远端锁定机器人系统中，所述方法包括以下步骤：根据预设的调整参数调整所述二维图像引导的髓内针远端锁定机器人系统中，X光图像采集设备的位置和角度，以使得髓内针远端锁孔的轮廓在X光图像采集设备采集的X光图像中为一正圆；通过安装了图像畸变校正装置的X光图像采集设备采集包含有图像畸变校正装置的X光图像；根据所述X光图像获取图像畸变参数；根据所述X光图像采集设备的视场的位置移动机械臂，使安装于其前端的远端锁定装置位于X光图像采集设备的视场中，并采集一张候选X光图像；在所述候选X光图像中标定锁孔位置；根据所述锁孔位置和所述远端锁定装置上小球的位置，计算出机械臂运动参数，并根据所述运动参数移动所述机器臂并采集一张目标X光图像；计算所述目标X光图像中所述锁孔位置和钻孔导向器之间的对准误差；根据对准误差调整所述机械臂运动参数，直至所述对准误差小于预设阈值，提示操作者在所述钻孔导向器的引导下钻出穿过髓内针锁孔的导向孔，然后往所述导向孔中拧入锁紧螺钉，以完成远端锁定。本专利技术的实施例，至少具有如下的技术效果：进行机器人远端锁定操作时，首先调整图像采集设备使得髓内针上的锁孔轮廓在视野中为正圆，随后进行图像畸变校正，随后医生在远程工作站图形界面上指定锁孔位置，随后远程工作站通过图像反馈控制率计算机器人运动量并控制机器人运动。机器人运动后重新采集图像，机器人再根据新的图像调整位置，“成像-运动”步骤自动迭代若干次，直到导向器准确对准锁孔，此后操作者手动通过导向器在骨头上钻出穿过锁孔的导向孔，然后通过导向孔拧入锁紧螺钉，完成远端锁定。并且，提出一种远端锁定机器人系统以及一种基于视觉伺服的远端锁定控制方法。该系统对硬件设备要求低，只需使用C型臂X光机提供图像用于反馈控制，而不需要使用光学或电磁导航设备。同时简化了手术操作流程，免去了在病人身上安装光学标志所带来的额外医源性创伤。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术一个实施例的一种髓内针远端锁定机器人系统结构示意图；图2为远端锁定方法的流程框图；图3为机械臂运动量计算流程框图；图4为机械臂及其前端的远端锁定装置的示意图；图5为远端锁定装置的示意图；图6为远端锁定装置及分布其上的小球的俯视图；图7为远端锁定装置及分布其上的小球及其包含的钻孔导向器的示意图；图8为远端锁定过程中关键步骤对应的X光透视图像；图9为图像畸变校正装置的示意图。附图标记：远端锁定机器人系统-1；机械臂-100；远端锁定装置-110；机械接口-111；连接臂-112；连接臂近端-112a；连接臂远端-112b；钻孔导向器-113；小球-114；直径较小的小球-a、b、c、d；直径较大的小球-A、B、C、D；直径较小的小球构成的凸四边形的外接圆-115；直径较大的小球构成的凸四边形的外接圆-116；钻孔导向器轴线-117；标定装置-130；标定装置上表面-133；标定装置下表面-134；标定装置上表面所在的平面-135；标定装置下表面所在的平面-136；标定装置内部-141；标定装置外部-142；标定装置中部壁面-145；标定装置外部右半部分-146；标定装置外部左半部分-147；X光图像采集设备-200；图像畸变校正装置-210；X光图像采集设备的影像增强器-220；畸变校正装置的平板基体-221；畸变校正装置的小球阵列-212；远程工作站-300；远程工作站上的图形界面-310；手术对象(患者)-400；数据线-500。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维图像引导的髓内针远端锁定机器人系统，其特征在于，包括：/n机械臂、远端锁定装置，其中，所述远端锁定装置由连接臂、钻孔导向器和标定装置组成，其中，/n所述连接臂的近端可装卸地与所述机械臂末端相连，所述连接臂的远端与所述标定装置连接，所述连接臂的远端与所述钻孔导向器连接；/n所述标定装置，包括：透X光材料制成的基体，所述基体包括内部，中部和外部，其中，所述中部连接所述内部和所述外部，/n所述基体上镶嵌有至少8个使用不透X光的材料制成的小球，所述小球被划分为第一组小球和第二组小球，所述第一组小球被镶嵌于所述基体的内部，所述第二组小球被镶嵌于所述基体的外部，所述第一组小球中所有的小球的直径相同，所述第二组小球中所有的小球的直径相同，所述第一组小球和第二组小球中小球的直径不同。/n

【技术特征摘要】
1.一种二维图像引导的髓内针远端锁定机器人系统，其特征在于，包括：
机械臂、远端锁定装置，其中，所述远端锁定装置由连接臂、钻孔导向器和标定装置组成，其中，
所述连接臂的近端可装卸地与所述机械臂末端相连，所述连接臂的远端与所述标定装置连接，所述连接臂的远端与所述钻孔导向器连接；
所述标定装置，包括：透X光材料制成的基体，所述基体包括内部，中部和外部，其中，所述中部连接所述内部和所述外部，
所述基体上镶嵌有至少8个使用不透X光的材料制成的小球，所述小球被划分为第一组小球和第二组小球，所述第一组小球被镶嵌于所述基体的内部，所述第二组小球被镶嵌于所述基体的外部，所述第一组小球中所有的小球的直径相同，所述第二组小球中所有的小球的直径相同，所述第一组小球和第二组小球中小球的直径不同。


2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述第一组小球中的小球两两分成多对，每对球球心之间的连线交于一同一点，所述第一组小球中所有小球到所述一同一点的归一化距离各不相同；
所述第二组小球两两分成多对，每对小球球心之间的连线交于另一同一点，所述第二组小球中所有小球到所述另一同一点的归一化距离各不相同。


3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，其中，所述归一化距离定是对应小球的球心到对应的同一点的距离与所述小球的球心到与其配对的小球球心之间的距离之比。


4.如权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，所述第二组小球的直径大于所述第一组小球的直径，或者，
所述第一组小球的直径大于所述第二组小球的直径。


5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
X光图像采集设备，其中，所述X光图像采集设备包括图像畸变校正装置和影像增强器，其中，所述图像畸变校正装置被安装于所述影像增强器上。
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【专利技术属性】
技术研发人员：祝世杰，郑钢铁，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11