柔性驱动股骨干骨折复位机器人系统研究

发布时间：2020-04-11 04:54

【摘要】：股骨是人体内最长、最大的负重骨,股骨干骨折是下肢常见的高能量损伤,其功能恢复时间长,如果治疗不当,将引起下肢畸形及功能障碍,给社会和家庭带来巨大负担。近年来,股骨干骨折闭合复位髓内钉内固定术是治疗股骨骨折的有效疗法,其对横形、斜形及螺旋形骨折,具有很好的治疗效果。该手术成功的关键在于骨折断端间接复位。由于肌体闭合复位时骨折部位不可见,复位难度大、效率低、保持复位状态困难;反复操作时易导致额外的软组织损伤。为保证复位准确性,手术过程须在C臂X光机全程透视监控下进行,持续的放射暴露和沉重的铅防护服对医护人员造成累积职业伤害。本文根据上述相关研究背景,针对典型股骨干骨折闭合复位的关键问题,提出基于软体-刚体结合的机器人技术,开展骨折复位机器人技术研究,以期为机器人辅助复位找到可行方案。论文的主要内容如下:分析股骨骨折的原因、分类及骨折后骨折断端移位特点,根据骨折类型探讨骨折的治疗过程,讨论了骨折复位力计算模型的建立,从理论上分析了不同个体骨折复位时所需复位力的大小,并自主设计一种长干骨骨折闭合复位力测量装置,在体临床监测股骨骨折闭合复位过程中的复位力学参数,为合理设计相关执行机构提供参考,最大限度降低骨折复位时对患者造成的二次伤害。简单股骨干骨折后骨折断端可以简化为两条异面直线,骨折复位就是调整异面直线姿态使股骨干解剖学或功能性复位,恢复其身体力线及功能。从机械学角度来讲,骨折复位需要六个自由度方向的运动(三个方向沿轴移动和三个方向绕轴转动),而人体下肢关节本身也具有运动自由度。因此,从人体下肢的解剖学和运动学特征出发,讨论了髋、膝、踝关节能实现的运动及范围,并对骨折复位机器人的整体结构提出设计要求。详细介绍了典型股骨干骨折复位机器人的整体结构设计,包括牵引执行机构、旋转执行机构以及套筒式复位单元,并介绍了骨折复位机器人的电机和软体驱动器驱动控制系统。骨折复位机器人系统能实现6个自由度方向的运动,包括牵引执行机构的3个电机驱动直线平移运动(也称三坐标直角坐标系机器人系统),旋转执行机构的1个带轮驱动和1对软体驱动器驱动的旋转运动,以及另1对软体驱动器驱动的旋转(膝关节)运动,实现骨折断端独立移动控制,并维持复位状态以便进行后续髓内钉置入及绞锁等操作。根据设计的骨折复位机器人机械结构,建立机器人的关节坐标系,并进行运动学分析等。利用蒙特卡洛法分析机器人的工作空间和可操作度,并采用矢量积法求解机器人雅可比矩阵,给出骨折复位机器人逆运动学的闭式解。机器人末端执行器运动过程中的轨迹规划问题很重要,是提高工作效率和保证操作要求的重要因素,也是机器人运动控制和结构优化的基础。本课题所研制的典型股骨干骨折复位机器人系统采用软体驱动器和电机相结合的驱动方式,将骨折断端复位时所需的运动自由度结合人体下肢结构特点分别由相应驱动器驱动,做到微创环境下的骨折复位治疗。软体驱动器属于柔性驱动,具有非线性特性,而人体肌肉组织又是非线性的,属于“软碰软”问题。讨论了骨折复位过程中的路径规划问题,对软体驱动器的特性进行理论与实验研究,并利用软体驱动器和电机分别驱动旋转关节和移动关节进行轨迹跟踪控制。股骨骨折的治疗原则是复位骨折断端,恢复肢体力线及长度,无旋转错位,且尽可能微创操作以保护骨折部位血运,促进骨折愈合,并在一定术后功能锻炼下,最大限度保存肢体功能。气动技术具有清洁安全、柔顺性、易维护等优点,已被应用于医疗康复领域,也是微创治疗的重要选择。本课题旨在设计一种临床上和技术上可行的微创典型股骨干骨折复位机器人系统,提供持续足够的复位力辅助外科医生完成骨折复位并保持。考虑到股骨周围肌肉本身对骨折复位的影响,利用硅胶及橡皮管特性,自主设计一种带仿真肌肉的下肢骨折模型从形状及功能上模拟肌肉对骨折复位的影响。以横形骨折为例,在同一肌肉收缩力及四种不同肌肉收缩力状态下对骨折复位机器人系统进行了实验验证。整个复位工作过程进行了相关参数反馈及力学信息采集,通过上位机提供的直观视觉监视,模拟骨折临床复位工作。实验结果证实了本课题提出的典型股骨干骨折复位机器人系统的有效性。
【图文】：

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如图 1-1 所示为由德国雷根斯堡临床大学（University Clinic of Regensburg）的 BerndFüchtmeier 等人研制的‘RepoRobo’股骨骨折复位机器人系统[11]。它是由史陶比尔工业机器人（St ubli robot-model RX130）改进而来，，属于典型的串联机器人系统，由六个转动关节加杆件组成，能够实现 6 个自由度方向的移动。此机器人系统能够承受 240N 的力并保持稳定，以方便后续髓内钉插入、绞锁等步骤；由于机械系统应用的场所是手术室，整体结构应尽可能小、轻，并方便移动；控制程序语言简单，方便外科医生学习掌握；为了安全起见，机器人系统工作速度限制在一定范围内，并在紧急情况下能急速回转。‘RepoRobo’股骨骨折复位机器人系统装有六维力/力矩传感器，可以辅助外科医生在安全范围内进行骨折复位操作。机械臂末端装有两个指状手抓，同 AO 外固定支架固定连接，而外固定支架又同骨折远端固定连接，机械臂的移动带动骨折远端的移动，从而完成骨折复位工作，整个系统控制通过一个控制板实现。手术时，外科医生通过控制板输入关节运动值，从而实现骨折断端对齐复位并保持。六维力/力矩传感器全程采集复位过程中的力学信息以指导外科医生操作，防止因操作不当引起的医疗事故。当然，整个手术过程是在无菌环境下进行，且整个机械系统需要经过严格的消毒程序。

遥操作,机器人系统

遥操作骨折复位机器人系统
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242

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