基于虚拟复位碰撞检测的骨折复位路径规划方法技术

本发明专利技术涉及一种路径规划算法，具体的说是一种用于医疗机器人复位术进行骨折复位的基于虚拟复位碰撞检测的骨折复位路径规划方法，其特征在于，采集患者骨折原始位置数据信息，并根据健侧镜像数据获得复位标准数据；规划复位路径，保存复位路径规划列表；对所获复位路径规划列表进行虚拟复位预览，本发明专利技术通过采集骨折的原始位置、最终复位后位置的空间转换矩阵，自动规划出骨折复位路径，并提供了虚拟复位碰撞检测，来进一步确保复位路径的可靠，从而有效提高骨折复位机器人的安全性，利用便于人机交互的UI界面完成路径调整、预览，具有路径规划准确度高、操作简便、安全性高等显著的优点。优点。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟复位碰撞检测的骨折复位路径规划方法

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[0001]本专利技术涉及一种路径规划算法，具体的说是一种用于医疗机器人复位术进行骨折复位的基于虚拟复位碰撞检测的骨折复位路径规划方法。

技术介绍
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[0002]目前用于路径规划的算法主要有神经网络算法、遗传算法和人工势力场算法等。神经网络算法是一个模拟生物神经系统的信息处理方法，具有很高的自我学习和适应能力，但需要事先提供大量的数据样本。遗传算法是一种通过模拟自然选择进化的随机搜索算法，具有较好的搜索能力和避障效果。人工势力场法是采用一种虚拟力法，给机器人末端提供虚拟力约束，不仅可以提供精确的避障效果，还可以在骨折复位时添加引力和斥力，提高复位手术安全性。尽管在机器人辅助骨折复位手术中，神经网络算法、遗传算法和人工势力场算法都可提供最优的规划路径和较好的避障效果，但是神经网络算法不能解释推理过程和推理依据，因此不能确保骨折复位手术安全。遗传算法需要初始化一些种群，并且会出现未知种群，计算复杂度较大，难以确定遗传操作因子，应用于机器人辅助骨折复位手术时，手术操作的安全性较差。人工势力场法虽多用于机器人路径规划问题，但目前未见应用到机器人辅助骨折复位手术中。
[0003]复位机器人虽然具备智能化、精确性、稳定性的基本特性，但从严格意义上讲并不具备像人一样的高度智能化，即只会机械的执行计算机或人为指定的指令，一旦出现某种意外的错误，如果没有预先引入相应的安全性监控策略，必然会引起指令执行失败，导致复位错误，甚至会造成骨折、血管神经损伤等严重后果。因而安全对于机器人辅助骨折复位手术来说，是至关重要的。
[0004]骨折复位手术时，首先要基于健侧骨骼模型，调整骨折远端的姿态，使其达到合适的解剖位置。然后，骨折近端固定不动，复位机器人末端与骨折远端固连，机器人按照规划的复位路径，将骨折远端相对于近端做平移运动。复位移动中应避免骨折远端与周边的骨组织、近端等发生接触碰撞。医生操控复位机器人进行复位手术过程中，并联机器人的动平台固定有夹持工具，牢固夹持断骨远端并沿着所规划的复位路径，通过基于图像配准的导航技术与断骨近端进行精准复位。由于患者骨折断面的位姿可能会发生变化，需要事先规划并实时调整复位机器人的复位路径。在复位过程中，复位的路径规划关系着手术的成败。根据临床上不同骨折移位状态，对于有骨折间干涉的，需要设计路径绕过干涉；对于承受较大扭矩力的，需要设计路径并控制速度，以免对患者造成二次肌肉损伤。

技术实现思路
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[0005]为了提高和确保机器人辅助骨折复位手术操作的安全性，本专利技术提出一种基于虚拟复位碰撞检测的骨折复位路径规划方法，本专利技术基于CT扫描数据对断骨进行逆向建模(通过自动路径规划和手动路径规划相结合)，采用对自动路径规划/手动路径规划的复位路径进行预览，检查虚拟复位过程中是否会发生碰撞来规划避障复位路径。
[0006]本专利技术通过以下措施达到：
[0007]一种基于虚拟复位碰撞检测的骨折复位路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤1：采集患者骨折原始位置数据信息，并根据健侧镜像数据获得复位标准数据；
[0009]步骤2：规划复位路径：
[0010]步骤2
‑
1：读取患侧远近段图像的配准矩阵；
[0011]步骤2
‑
2：获取患侧近端和患侧远端的术中实时位置转换矩阵；
[0012]步骤2
‑
3：预览所获自动规划路径是否存在碰撞，若不存在碰撞，则保存复位规划路径；
[0013]步骤3：保存复位路径规划列表；
[0014]步骤4：对步骤3所获复位路径规划列表进行虚拟复位预览：
[0015]步骤4
‑
1：患侧近端和患侧远端是否都可见，若任一端不可见，终止复位预览，重新进行步骤2，若都可见，则执行步骤4
‑
2；
[0016]步骤4
‑
2：计算当前患侧远端相对于患侧近端的相对位姿矩阵，并加入复位路径规划列表的开始位置；
[0017]步骤4
‑
3：从复位路径规划列表的第二个矩阵开始循环，两两矩阵之间均匀插值预览，所述两两矩阵是指前一个位姿矩阵与当前位姿矩阵；
[0018]步骤4
‑
4：判断是否发生碰撞，若发生碰撞则终止虚拟复位预览，否则判断碰撞是否超过列表中最后一个矩阵，若是，则终止虚拟复位预览，若否，则再次执行步骤4
‑
3。
[0019]本专利技术所述步骤4
‑
3中两两矩阵之间均匀插值预览是指两个空间位姿的矩阵插值预览，具体包括：
[0020]步骤4
‑3‑
1：得到起始矩阵和目标矩阵，从起始矩阵得到起始位置参数以及起始欧拉角参数，从目标矩阵得到目标位置参数和目标欧拉角参数；
[0021]步骤4
‑3‑
2：将目标位置参数减去起始位置参数的差值除以10作为位置参数差值偏移量，将目标欧拉角参数减去起始欧拉角参数的差值除以10作为欧拉角差值偏移量，设定循环变量i＝0(i程序语言常用变量符号)；
[0022]步骤4
‑3‑
3：将起始位置参数加上i*位置参数差值偏移量得到新的位置参数，将起始欧拉角参数加上i*欧拉角参数差值偏移量得到新的欧拉角参数；
[0023]步骤4
‑3‑
4：将所获新的未知参数和欧拉角参数转换为矩阵，并应用到患侧远端；
[0024]步骤4
‑3‑
5：判断是否发生碰撞，若发生碰撞则终止两个空间位姿的矩阵插值预览，否则判断i≥10是否成立，若成立则终止两个空间位姿的矩阵插值预览，否则i值在现有数值基础上增加1后，再次执行步骤4
‑3‑
3。
[0025]本专利技术步骤2
‑
3中，若所获自动规划路径存在碰撞，则启动手动微调，手动微调通过手动平移或旋转路径规划，然后判断手动平移或旋转后的路径规划是否存在碰撞，若碰撞，则重复手动微调，否则保存复位路径规划列表。
[0026]本专利技术通过采集骨折的原始位置、最终复位后位置的空间转换矩阵，自动规划出骨折复位路径，并提供了虚拟复位碰撞检测，来进一步确保复位路径的可靠，从而有效提高骨折复位机器人的安全性，利用便于人机交互的UI界面完成路径调整、预览，具有路径规划
准确度高、操作简便、安全性高等显著的优点。
附图说明：
[0027]附图1是本专利技术的流程图。
[0028]附图2是本专利技术中虚拟复位预览流程图。
[0029]附图3是本专利技术中相邻两空间位姿矩阵插值预览流程图。
[0030]附图4是本专利技术实施例1中所采用的骨折分型图。
具体实施方式：
[0031]下面结合附图和实施例，对本专利技术做进一步的说明。
[0032]实施例1：
[0033]本例提供了一种基于虚拟复位碰撞检测的骨折复位路径规划方法，由于在骨折复位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟复位碰撞检测的骨折复位路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采集患者骨折原始位置数据信息，并根据健侧镜像数据获得复位标准数据；步骤2：规划复位路径：步骤2
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1：读取患侧远近段图像的配准矩阵；步骤2
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2：获取患侧近端和患侧远端的术中实时位置转换矩阵；步骤2
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3：预览所获自动规划路径是否存在碰撞，若不存在碰撞，则保存复位规划路径；步骤3：保存复位路径规划列表；步骤4：对步骤3所获复位路径规划列表进行虚拟复位预览：步骤4
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1：患侧近端和患侧远端是否都可见，若任一端不可见，终止复位预览，重新进行步骤2，若都可见，则执行步骤4
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2；步骤4
‑
2：计算当前患侧远端相对于患侧近端的相对位姿矩阵，并加入复位路径规划列表的开始位置；步骤4
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3：从复位路径规划列表的第二个矩阵开始循环，两两矩阵之间均匀插值预览，所述两两矩阵是指前一个位姿矩阵与当前位姿矩阵；步骤4
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4：判断是否发生碰撞，若发生碰撞则终止虚拟复位预览，否则判断碰撞是否超过列表中最后一个矩阵，若是，则终止虚拟复位预览，若否，则再次执行步骤4
‑
3。2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟复位碰撞检测的骨折复位路径规划方法，其特征在于，所述步骤4
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【专利技术属性】
技术研发人员：王炳强，康伟伟，刘畅，孙之建，
申请(专利权)人：威海威高骨科手术机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：