技术领域
[0001] 本
发明属于骨科机器人领域，特别涉及一种主从式股骨干骨折复位
并联机器人系统和方法。
背景技术
[0002] 股骨干骨折是骨科临床常见的
疾病。医护人员在对此类病患进行复位
治疗时，需要先将骨折近端加以固定，再通过观察X图像先将断骨远端拉伸，然后与近端断骨对齐复位，再加以固定。由于股骨周边肌肉发达，复位往往需要两至三名医生共同完成。并且保持复位状态进行固定也很困难。基于髓内钉内固定的股骨干骨折复位手术治疗也是临床上广泛采用的一种复位方法。这种治疗手段存在着射线
辐射剂量大，使得治疗时手术医生的
放射性暴露时间长，并且对轴向旋转骨折的复位效果不佳。此种手术属于开放性手术，切开伤口创面较大。开放性骨折复位的失血量大，病人的伤口易于感染，且
伤口愈合的时间长。
发明内容
[0003] 为了解决
现有技术中存在的治疗时手术医生的放射性暴露时间长的问题，本发明一方面提供了一种主从式股骨干骨折复位并联机器人系统，其包括：主手操控机器人、中央
控制器、从手复位机器人、映射
开关、
骨科手术床、牵引架、G型臂双显X光机和操作台车；所述主手操控机器人为手动推拉杆六
自由度并联机构机器人，用于接收并执行术者的骨折复位操作指令；所述中央控制器与所述主手操控机器人和所述从手复位机器人连接，用于将所述主手操控机器人的骨折复位操作有条件映射传递给所述从手复位机器人；所述映射开关与所述中央控制器连接，用于开启或关闭所述中央控制器的有条件映射操作；所述骨科手术床上固定有患者的股骨近端，所述患者为股骨干骨折患者且处于屈膝
姿态；所述牵引架与所述骨科手术床连接成一刚体；所述从手复位机器人为电动推拉杆六自由度并联机构机器人，所述从手复位机器人的远端固定平台固定在所述牵引架上，所述从手复位机器人的近端移动平台通过骨钉或骨针固定患者的股骨远端，用于在所述中央控制器的映射控制下，复制所述主手操控机器人对所述患者进行的骨折复位操作；所述G型臂双显X光机用于同时采集患者的股骨干骨折处的正位X光图像和侧位X光图像；所述主手操控机器人和所述中央控制器固定在所述操作台车上；其中，所述骨折复位操作指令由术者根据观察到的所述正位X光图像和所述侧位X光图像做出。
[0004] 在如上所述的系统中，优选地，所述从手复位机器人包括：远端固定平台、近端移动平台、六个电动推拉杆和六对
万向节；所述远端固定平台呈圆盘状；所述近端移动平台呈三分之二圆环状；六个所述电动推拉杆通过六对万向节连接于所述远端固定平台和所述近端移动平台之间，用于在所述中央控制器的映射控制下，执行相应动作；一对所述万向节用于将一个电动推拉杆的两端部分别与对应的所述远端固定平台和所述近端移动平台相连。
[0005] 在如上所述的系统中，优选地，所述中央控制器还用于直接控制所述电动推拉杆的行程；所述系统还包括：分别与所述中央控制器连接的恢复按键、伸长按键和缩短按键；所述恢复按键用于将所述电动推拉杆由当前行程恢复到额定行程的一半；所述伸长按键用于将所述电动推拉杆由当前行程逐渐伸长；所述缩短按键用于将所述电动推拉杆由当前行程逐渐缩短。
[0006] 在如上所述的系统中，优选地，所述主手操控机器人包括：主手机器人静态平台、主手机器人动态平台、六个手动距离传感推拉杆和六对万向节；所述主手机器人静态平台呈圆盘状，固定在所述操作台车上；所述主手机器人动态平台呈圆盘状，用于接收所述术者的骨折复位操作指令；六个所述手动距离传感推拉杆位于所述主手机器人静态平台和所述主手机器人动态平台之间；一对所述万向节用于将一个所述手动距离传感推拉杆的两端部分别与对应的所述主手机器人静态平台和所述主手机器人动态平台相连。
[0007] 在如上所述的系统中，优选地，所述主手操控机器人还包括：
拉伸弹簧；所述
拉伸弹簧连接于所述主手机器人静态平台和所述主手机器人动态平台之间，且位于所述主手机器人静态平台和所述主手机器人动态平台的周向外侧。
[0008] 在如上所述的系统中，优选地，所述万向节为柔性万向节。
[0009] 在如上所述的系统中，优选地，所述映射开关为
脚踏开关，所述脚踏开关设置在地面上。
[0010] 在如上所述的系统中，优选地，所述系统还包括：铅屏，所述铅屏设置于所述G型臂双显X光机与所述术者之间。
[0011] 本发明另一方面还提供了一种采用上述系统进行主从式股骨干骨折复位方法，所述方法包含：术前准备步骤和术中操作步骤；所述术前准备步骤具体包括：将所述主手操控机器人和所述中央控制器固定在所述操作台车上，将所述从手复位机器人的远端固定平台固定在所述牵引架上；连接所述中央控制器与所述主手操控机器人、所述从手复位机器人和所述映射开关；将所述牵引架和所述骨科手术床连接成一刚体；使股骨干骨折患者平躺于所述骨科手术床上，将患者的股骨近端固定在所述骨科手术床上，并使得患者的胫骨下垂呈屈膝状；调节所述牵引架的
位置，将所述从手复位机器人的近端移动平台对准患者的股骨远端，通过
钢针及骨钉将股骨远端固定在所述从手复位机器人的近端移动平台上；移动G型臂双显X光机的G型臂的位置，将所述G型臂的两个发射接收器分别对准股骨干骨折处的正位及侧位；所述术中操作步骤具体包括：打开所述中央控制器的电源开关以及所述G型臂双显X光机的电源开关；观察所述G型臂双显X光机的双显示屏，操控所述主手操控机器人的主机器人动态平台，实现遥操作所述从手复位机器人以进行股骨干骨折复位手术。
[0012] 在如上所述的方法中，优选，所述近端移动平台呈三分之二圆环状，先将所述近端移动平台套设于屈膝的患者的股骨远端，再通过钢针及骨钉将股骨远端固定在所述从手复位机器人的近端移动平台。
[0013] 本发明
实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0014] 通过建立主手操控器人和从手复位机器人的映射，从而避免或降低医护人员受到的X光射线伤害。
[0015] 通过从手复位机器人的近端移动平台在静态情况下，可维持其姿态不变，并且具有与复位操作相同的保持
力，从而解脱了医护人员为使骨折复位后保持复位状态而对骨折进行固定之前所需施加的人力。
[0016] 通过利用骨科手术床和牵引架为一刚体的特性，将从手复位机器人的远端固定平台固定在牵引架上，使得固定在骨科手术床上骨折的股骨近端与固定在牵引架的上的固定平台被视为一个刚体，从而当从手复位机器人的近端移动平台进行骨折复位运动时，带动固定在其上的股骨远端同时运动以实现骨折复位，利于患者的股骨复位。
附图说明
[0017] 图1为本发明实施例提供的一种从手复位机器人、患者、牵引架、骨科手术床、G型臂的结构示意图。
[0018] 图2为本发明实施例提供的一种从手复位机器人、患者和牵引架的结构示意图。
[0019] 图3为本发明实施例提供的一种主手操控机器人的结构示意图。
[0020] 图4为本发明实施例提供的一种柔性万向节的结构示意图。
[0021] 图5为本发明实施例提供的一种铅屏、术区和操作区的位置关系图。
[0022] 图中符号说明：
[0023] 1-主手操控机器人、11-主手机器人静态平台、12-主手机器人动态平台、13-距离传感推拉杆、14-柔性万向节、15-拉伸弹簧、16-圆环操控
手柄、17-静态平台延伸部、18-动态平台延伸部、2-中央控制器、3-从手复位机器人、31-远端固定平台、32-近端移动平台、33-电动推拉杆、34-柔性万向节、4-骨科手术床、5-牵引架、6-G型臂双显X光机、61-G型臂、
62-双显示屏、7-患者、70-半圆形连接件、71-股骨远端、72-股骨近端、24-脚踏开关、21-恢复按键、22-伸长按键、23-缩短按键、9-铅屏、91-术区、92-操作区、10操作台车。
具体实施方式
[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0025] 伊利札诺夫(ILIZAROV)外
固定器的使用为骨折复位提供了新的方法。它用钢针及钢钉穿过
皮肤与断端两侧的骨段固定，其端部分别与外固定器的两只圆环相连。由于两只圆环分别与断端两侧的骨段连接形成两个整体，因而两个圆环的相对运动即可带动两断骨的相对运动，实现骨折复位。斯图尔特(STEWART)并联机器人基于伊利札诺夫外固定器的骨折复位原则，把两支圆环通过六对
铰链与六只电动推拉杆连接从而实现了六个自由度的相对位移及旋转，实现断骨对齐，及骨折复位的功能。本发明的下述主手操控机器人1和从手复位机器人3是在斯图尔特并联机器人的结构的
基础上实现的。
[0026] 参见图1～5，本发明实施例提供了一种主从式股骨干骨折并联机器人系统，其包括：主手操控机器人1、中央控制器2、从手复位机器人3、映射开关、骨科手术床4、牵引架5、G型臂双显X光机6和操作台车10。
[0027] 主手操控机器人1为手动推拉杆六自由度并联机构机器人，即主手操控机器人的推拉杆为手动推拉杆，其驱动力为人力，用于执行术者(即手术操作者)的骨折复位操作指令，该骨折复位操作指令由术者根据观察到的G型臂双显X光机6获取的正位X光图像和侧位X光图像做出，并通过手传递给主手操控机器人1。中央控制器2与主手操控机器人1和从手复位机器人3分别连接，用于将主手操控机器人1的骨折复位操作有条件映射传递给从手复位机器人3。映射开关24与中央控制器2连接，用于开启或关闭中央控制器2的有条件映射控制。例如，按下映射开关24，则中央控制器2将主手操控机器人1的骨折复位操作映射传递给从手复位机器人3；松开映射开关24，则中央控制器2不将主手操控机器人1的操作映射传递给从手复位机器人3，从而实现有条件映射的开启或关闭。从手复位机器人3为电动推拉杆六自由度并联机构机器人，即从手复位机器人3的推拉杆为电动推拉杆，其驱动力来自于
电机，用于在中央控制器2的映射控制下，跟随主手操控机器人1对患者进行骨折复位操作。术前(即复位手术前)，股骨干骨折患者的股骨近端72固定在骨科手术床4上，例如使用骨钉或骨针通过半圆形连接件70或使用绷带将股骨近端固定在骨科手术床4上。股骨近端指的是：股骨靠近患者身躯的一端，股骨远端指的是：股骨远离患者身躯的一端。为了便于复位，患者平躺在骨科手术床4上且处于屈膝姿态。牵引架5与骨科手术床4连接成一刚体，牵引架5上固定有从手复位机器人3的远端固定平台，从手复位机器人3的近端移动平台固定有患者的股骨远端，牵引架5用于调整从手复位机器人3的位置使其近端移动平台对准患者，近端移动平台(或称运动复位端)指的是：从手复位机器人3上固定患者的一端，术时其运动，进而带动与其固定的患者股骨远端骨折骨段运动，从而实现复位；远端固定平台(或称固定静止端)指的是：从手复位机器人3上固定在牵引架5上的一端，其不固定患者，术时其因牵引架5的固定而静止不动。G型臂双显X光机6用于同时获取患者的股骨干骨折处的正位X光图像和侧位X光图像，其包括：G型臂61、双显示屏62和分别与G型臂61和双显示屏62连接的
操纵台。G型臂61的两对发射器分别对准股骨干骨折处的正位和侧位，以实现对正位和侧位图像同时
采样。操纵台用于将G型臂61采样的正位和侧位图像输送至双显示器62。双显示器62用于同时显示股骨干骨折处的正位X光图像和侧位X光图像。主手操控机器人1和中央控制器2固定在操作台车10上。
[0028] 本发明利用骨科手术床4与牵引架5连接为一刚体(即骨科手术床4与牵引架5为同一刚体)的特性，将从手复位机器人3的远端固定平台31固定在牵引架5上，使得固定在骨科手术床4上患者的股骨近端72与固定在牵引架5上的远端固定平台31被视为一个刚体。手术时术者观察G型臂双显X光机获取的患者正位X光图像和侧位X光图像，然后用手控制主手操控机器人1执行骨折复位操作，继而在中央控制器2的作用下，有条件映射控制从手复位机器人3，使从手复位机器人3的近端移动平台32复制主手操控机器人1的骨折复位操作，进而带动固定在近端移动平台32上的股骨远端71运动，实现股骨干骨折复位，完成对股骨干骨折患者复位的遥操作，如此使得术者远离手术区域(或G型臂双显X光机)，可以避免或降低术者或医护人员受到的X光射线伤害。
[0029] 需要说明的是：六个电动推拉杆在与远端固定平台31和近端移动平台32连接时，将六个电动推拉杆33的一端分成三组，每组含有两个电动推拉杆33的一端，相邻两组之间间隔120°；将六个电动推拉杆33的另一端也分成三组，每组含有两个电动推拉杆33的另一端，相邻两组之间间隔120°。且在垂直于由远端固定平台31指向近端移动平台的平面上，每个电动推拉杆33的一端与另一端相差60°。2/3圆环上的电动推拉杆中的一组应该位于上方，其他两组位于两侧120°的位置。六个手动距离传感推拉杆在与主手机器人静态平台11和主手机器人动态平台连接时，连接位置与六个电动推拉杆的连接位置相同，在此不再一一赘述。
[0030] 从手复位机器人3包括：远端固定平台31、近端移动平台32、六个电动推拉杆33和万向节。远端固定平台31优选呈圆盘状，如此利于固定在牵引架5上以在牵引架5的固定下术时保持不动。近端移动平台32呈三分之二圆环状(或称2/3圆环)，换言之，在圆环上形成有一个缺口，该缺口的周长为圆环周长的三分之一(或称1/3圆环缺口)，近端移动平台31利用1/3圆环缺口套设于股骨远端71，并通过2/3圆环上的钢针及骨钉固定股骨远端71，术前利用1/3圆环缺口将屈膝的患者的股骨远端71套入并固定在2/3环上以利于复位操作。六个电动推拉杆33连接于远端固定平台31和近端移动平台32之间，用于驱动近端移动平台32运动。一对万向节34用于将一个电动推拉杆33的两端部分别与对应的远端固定平台31和近端移动平台32相连，具体的，电动推拉杆33的一端通过一个万向节与近端移动平台32连接，电动推拉杆33的另一端通过另一个万向节与远端固定平台31连接，该一个万向节和该另一个万向节合称为一对万向节。
[0031] 为了便于精确且稳定对患者进行骨折复位操作，中央控制器2还用于直接控制电动推拉杆33的行程，该系统还包括：分别与中央控制器2连接的恢复按键21、伸长按键22和缩短按键23。恢复按键21用于同时控制六个电动推拉杆33由当前行程恢复到额定行程的一半，例如额定行程为50mm，额定行程的一半为25mm，当按下恢复按键21时，六个电动推拉杆33由当前行程均恢复到25mm。伸长按键22用于同时控制六个电动推拉杆33由当前行程均逐渐伸长，当按下伸长按键22时，则六个电动推拉杆33的当前行程均保持缓慢伸长，直至松开伸长按键22。缩短按键23用于同时控制六个电动推拉杆33由当前行程均逐渐缩短，当按下缩短按键23时，则六个电动推拉杆33的当前行程均保持缓慢缩短，直至松开缩短按键23。
[0032] 主手操控机器人1包括主手机器人静态平台11、主手机器人动态平台12、六个距离传感推拉杆13和万向节。主手机器人静态平台11优选呈圆盘状，如此利于固定在操作台车10上，操作台车10优选位于G型臂双显X光机的操纵台旁以利于骨折复位操作。主手机器人动态平台12呈圆盘状，优选呈具有镂空孔的圆盘状，用于接收术者的骨折复位操作指令，为了利于术者操作，在主手机器人动态平台12的周向外侧连接有一圆环操控手柄16。六个手动距离传感推拉杆13连接于主手机器人静态平台11和主手机器人动态平台12之间，用于在术者的骨折复位操作下产生相应六自由度的位移及旋转。一对万向节14用于将一个手动距离传感推拉杆13的两端部分别与对应的主手机器人静态平台11和主手机器人动态平台12相连，具体的，手动距离传感推拉杆13的一端通过一个万向节14与主手机器人动态平台12连接，手动距离传感推拉杆13的另一端通过另一个万向节与主手机器人静态平台11连接，该一个万向节和该另一个万向节合称为一对万向节。
[0033] 主手操控机器人1的万向节和从手复位机器人3的万向节优选均为柔性万向节14、34，柔性万向节包括：万向节弹簧和分别与万向节弹簧两端
螺纹连接的螺杆，万向节弹簧呈中间细、两头粗的沙漏型。柔性万向节通过螺杆的另一端与电动推拉杆33或手动距离传感推拉杆13或主手机器人动态平台12或主手机器人静态平台11或从手复位机器人远端固定平台31或从手复位机器人近端移动平台32
螺纹连接。柔性万向节与主机器人动态平台12或主机器人静态平台11或远端固定平台31或近端移动平台32连接的一段的轴线对应的与主机器人动态平台12或主机器人静态平台11或远端固定平台31或近端移动平台32所在的平面垂直。柔性万向节与手动距离传感推拉杆13或电动推拉杆13连接的另一段与手动距离传感推拉杆13或电动推拉杆33的轴线重合。在其他的实施例中还可以为刚性万向节。
[0034] 为了使得主手操控机器人1在不与术者交互时(既不受到任何外力的情况下)恢复到初始状态(即每只
传感器推拉杆缩到最短)，主手操控机器人1还包括：连接于主手机器人静态平台11和主手机器人动态平台12之间的拉伸弹簧15，其位于主手机器人静态平台11和主手机器人动态平台12的周向外侧。例如沿主手机器人静态平台11的径向，在主手机器人静态平台11的边缘延伸安装有静态平台延伸部17，与静态平台延伸部17对应的主手机器人动态平台12的边缘沿主手机器人动态平台12的径向延伸安装有动态平台延伸部18，在静态平台延伸部17和动态平台延伸部18之间竖直连接有拉伸弹簧15。具体的，静态平台延伸部17连接(例如
螺栓连接)于主手机器人静态平台11的外侧面，即在垂直于主手机器人静态平台11的轴向上，主手机器人静态平台11所形成的平面和静态平台延伸部17所形成的平面不共面。动态平台延伸部18的底面连接(例如螺栓连接)于主手机器人动态平台12的外侧面，圆环操控手柄16与动态平台延伸部18的顶面连接，即在垂直于主机器人动态平台12的轴向上，环形操控手柄16所形成的平面、主手机器人动态平台12所形成的平面和动态平台延伸部18所形成的平面三者不共面，即在由主手机器人动态平台12指向主手机器人静态平台11的方向上，依次为环形操控手柄16、动态平台延伸部18和主机器人动态平台12。安装拉伸弹簧15时，可以在静态平台延伸部17上开有通孔，对应的，在动态平台延伸部18上开有通孔，拉伸弹簧15通过其两端的勾勾住通孔实现设置在静态平台延伸部17和动态平台延伸部18之间。拉伸弹簧15的数量可以为多个，多个拉伸弹簧15沿主手机器人静态平台11的周向或主机器人动态平台12的周向均匀分布，(优选为6个，6个拉伸弹簧15中的3个的一端分别一一对应设置在3组手动距离传感推拉杆的位置，6个拉伸弹簧15的另外3个的一端分别一一对应设置在相邻两组手动距离传感推拉杆的中间位置)。
[0035] 由于术者术时需操作多个设备，为了利于操作，该映射开关为脚踏开关，其设置在地面上，通过术者的脚部动作(抬起或落下)即可操作脚踏开关的开启或关闭，与中央控制器2连接，用于开启或关闭主手操控机器人1与从手复位机器人2之间的有条件映射。中央控制器2的连接插头优选为航空插头。
[0036] 为了进一步减少术者所受
X射线的伤害，该系统还包括：铅屏9，其用于隔开G型臂双显X光机6与术者。患者一侧可以称为术区91，在术区91放置有从手复位机器人3、骨科手术床4、牵引架5、G型臂61。术者一侧可以称为操作区92，在操作区92放置有主手操控机器人1、中央控制器2、操作台车10、操纵台、双显示屏62、脚踏开关24、恢复按键21、伸长按键22、缩短按键23。
[0037] 下面介绍采用主从式股骨干骨折复位并联机器人系统对患者进行主从式股骨干骨折复位的方法。该方法包含：术前准备步骤和术中操作步骤。
[0038] 术前准备步骤具体包括：将主手操控机器人1和中央控制器2固定在操作台车10上。连接中央控制器2与主手操控机器人1，连接中央控制器2与从手复位机器人3，连接中央控制器2与映射开关1。将牵引架5和骨科手术床4连接成一刚体，实际中，牵引架5和骨科手术床4多以呈同一刚体的形式存在。将从手复位机器人3的远端固定平台31固定在牵引架5上。使股骨干骨折病患者平躺于骨科手术床4上，将患者的股骨近端72固定在骨科手术床4上，使得骨折患者的胫骨下垂呈屈膝状。松开牵引架5上
水平旋转的固定螺栓使其能自由移动；通过调节牵引架5的位置以及其上的伸缩摇杆把柄，将从手复位机器人3的近端移动平台32对准患者7的股骨远端71，再将牵引架上水平旋转的固定螺栓旋紧；通过钢针及骨钉将股骨远端71固定在从手机器人近端32上；移动G型臂双显X光机6的G型臂61的位置，将G型臂61的两组发射接收器分别对准股骨干骨折处的正位及侧位。
[0039] 术中操作步骤包括：打开中央控制器2的电源开关以及G型臂双显X光机6的电源开关；观察G型臂双显X光机6的双显示屏62显示的正位X光图像和侧位X光图像，操控主手操控机器人1的主手机器人动态平台，当设置环形操控手柄12时，操控手柄即可，并通过映射开关21开启以及中央控制器2的控制，将主手操控机器人1的骨折复位操作有条件映射给从手复位机器人3，实现遥操作从手复位机器人3以进行股骨干骨折复位手术。
[0040] 下面以从手复位机器人3的2/3圆环左侧为圆心，将圆环右侧在水平面向内旋转这一操作为例说明从手复位机器人3复制如何主手操控机器人1的动作。具体操作如下：将主手操控机器人的主手机器人动态平台的右侧拉出，此时映射开关未踩下，则从手复位机器人保持静止。踩下脚踏开关，恢复主手操控机器人的主手机器人动态平台右侧初始位置。此时从手复位机器人复制主手操控机器人的回复运动。
[0041] 需要说明的是：只有当脚踏开关踩下，即关闭时，才实现映射关系。否则映射关系不成立。因此操作时，主手操控机器人的主手机器人动态平台或环形操控手柄可调至任意位置，只要脚踏开关未踩下，从手复位机器人都保持静止状态。而当需要复制主手操控机器人的运动到从手复位机器人时，踩下脚踏开关，此时主手操控机器人的运动即被复制到从手复位机器人上了。优选，从手复位机器人3的近端移动平台32呈三分之二圆环状，换言之近端移动平台有三分之一圆环缺口，通过三分之一圆环缺口将近端移动平台套设于屈膝的患者的股骨远端，再通过钢针及骨钉将股骨远端固定在从手复位机器人的近端移动平台32。
[0042] 综上所述，本发明带来的有益效果如下：
[0043] 通过建立主手操控器人1和从手复位机器人2的映射，从而避免或降低医护人员受到的X光射线伤害。
[0044] 通过从手复位机器人的近端移动平台在静态情况下，可维持其姿态不变，并且具有与复位操作相同的保持力，从而解脱了医护人员为使骨折复位后保持复位状态而对骨折进行固定之前所需施加的人力。
[0045] 通过利用骨科手术床4和牵引架5为一刚体的特性，将从手复位机器人2的远端固定平台31固定在牵引架5上，使得固定在骨科手术床4上骨折的股骨近端与固定在牵引架5上的远端固定平台31被视为一个刚体，从而当从手复位机器人的近端移动平台32进行骨折复位运动时，带动固定在其上的股骨远端同时运动以实现骨折复位，利于患者的股骨复位。
[0046] 由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
