机器人辅助带锁髓内钉正骨手术医疗系统 技术领域：
本发明涉及带锁髓内钉正骨手术由机器人辅助的医疗系统。
背景技术：
传统的带锁髓内钉正骨手术根据手术实施的位置不同分为股骨、胫骨等多种，手术难度也不尽相同。以股骨正骨手术为例，其基本过程为：先要将病人的上身固定于手术床上，两个医生将病人骨折的股骨上下部分向外拉伸，称之为牵引。然后一个医生侧向固定病人的骨折处，使之保持一个固定的位置，称之为复位。牵引、复位完成后主治医生先在股骨一端的骨节末端打一个孔，以便植入一根长度与股骨长度相仿的髓内钉，然后在股骨远端和近端经皮穿孔(一般4个)，以便用锁钉将髓内钉固定在骨骼上。在髓内钉锁定过程中目前临床上主要采用：C臂机下徒手瞄准锁定、机械式远端锁定瞄准器、激光束引导、主动跟踪式计算机导航手术系统等。C臂机下徒手瞄准锁定不仅需要医生具有很高的操作技巧与丰富的临床经验，而且需要频繁地使用C臂机进行拍照，放射线损伤大，同时人为干扰因素多。手术时主治医生使用手电钻在股骨上打孔，由于股骨部分肌肉较多、外形复杂，主治医生不能用肉眼直接观测到手电钻钻入的位置，必须经常将手电钻退出来，使用X光机观察钻孔的情况，根据照相情况确定下次钻进的方向和深度。因此手术时间长、参与的医生较多，且医生会长时间受到X光的照射。另外由于麻药无法到达骨髓腔内部，手电钻多次进出骨髓腔，极大的增加了病人地痛苦。为减少放射线损伤，少用或不用C臂机，机械式远端锁定瞄准器得到了广泛的应用。但是机械式锁定瞄准器一般安装复杂，且容易发生形变，造成瞄准器与髓内钉位置关系发生变化，很难找准远端锁孔的位置，增加了操作的难度和额外损伤，有时甚至又重新回到C臂机下徒手瞄准锁定。而且不同厂家的瞄准器只能锁定自己厂家的髓内钉，不具备通用性。光学定位下的计算机导航系统需要大型的计算机图像处理硬件、软件和专用的手术器械，需要工程技术人员的指导，限制了医生的主观能动性，且价格昂贵，难以推广。
发明内容：
本发明的目的是提供一种机器人辅助带锁髓内钉正骨手术医疗系统，它具有通用性强，手术效果好，降低手术费用，减轻病人痛苦，减少医生的放射线损伤，实现正骨手术的模拟教学训练和远程治疗的特点。本发明由从手端80和主手端70组成，从手端80由医用牵引复位并联机器人1、正骨调整机构2、正骨复位机构3、高精度全自动C形臂X光机4、导航机器人5、CCD摄像机6、高速图像采集卡7、图像处理单元8、机构控制单元9、位置传感器10、力传感器11、位置/力信号采集卡12、机器人控制器13、伺服、力控制单元14、多功能自动手术床15、从手控制站16、位置传感器10′、力传感器11′、位置/力信号采集卡12′、机器人控制器13′、伺服、力控制单元14′组成；主手端70由主手控制站17、虚拟手术仿真系统18、监视器19、遥操作并联主手20、力传感器11″、位置/力信号采集卡12″、机器人控制器13″、伺服、力控制单元14″、位置传感器10″、图像处理单元8′组成；从手端80的医用牵引复位并联机器人1设置在多功能自动手术床15的端侧，正骨调整机构2设置在医用牵引复位并联机器人1上，正骨固定机构3设置在多功能自动手术床15上的一侧，高精度全自动C形臂X光机4设在多功能自动手术床15的边侧，导航机器人5设在多功能自动手术床15的另一边侧，高精度全自动C形臂X光机4的输出端与高速图像采集卡7的输入端a相连接，CCD摄像机6的输出端与高速图像采集卡7的输入端b相连接，高速图像采集卡7的输出端与图像处理单元8的输入端相连接，图像处理单元8的输出端与从手控制站16的输入端z相连接，机构控制单元9的双向端口C与CCD摄像头6的双向端口相连接，机构控制单元9的双向端口d与高精度全自动C形臂X光机4的双向端口相连接，机构控制单元9的双向端口y与从手控制站16的双向端口k相连接，位置传感器10的输出端与位置/力信号采集卡12的输入端e相连接，位置传感器10的输出端f与导航机器人5的输入端相连接，导航机器人5的输出端与力传感器11的输入端相连接，力传感器11的输出端与位置/力信号采集卡12的输入端相连接，位置/力信号采集卡12的输出端与机器人控制器13的输入端h相连接，机器人控制器13的输出端与伺服、力控制单元14的输入端相连接，伺服、力控制单元14的输出端与导航机器人5的输入端g相连接，机器人控制器13的双向端口j与从手控制站16的双向端口m相连接，医用牵引复位并连机器人1上的输出端与位置传感器10′的输入端相连接，位置传感器10′的输出端与位置/力信号采集卡12′的输入端相连接，位置/力信号采集卡12′的输出端与机器人控制器13′的输入端相连接，机器人控制器13′的输出端与伺服、力控制单元14′的输入端相连接，伺服、力控制单元14′的输出端与医用牵引复位并联机器人1的输入端相连接，医用牵引复位并联机器人1的输出端o与力传感器11′的输入端相连接，力传感器11′的输出端与位置/力信号采集卡12′的输入端p相连接，机器人控制器13的双向端口q与从手控制站16的双向端口n相连接；主手端70的遥操作并联主手20的输出端与力传感器11″的输入端相连接，力传感器11″的输出端与位置/力信号采集卡12″的输入端S相连接，遥操作并联主手20的输出端r与位置传感器10″的输入端相连接，位置传感器10″的输出端与位置/力信号采集卡12″的输入端相连接，位置/力信号采集卡12″的输出端与机器人控制器13″的输入端相连接，机器人控制器13″的输出端与伺服、力控制单元14″的输入端相连接，伺服、力控制单元14″的输出端与遥操作并联主手20的输入端相连接，机器人控制器13″的双向端口与主手控制站17的双向端口相连接，主手控制站17的输出端w与虚拟手术仿真系统18的输入端相连接，主手控制站17的输出端t与图像处理单元8′的输入端相连接，图像处理单元8′的输出端与虚拟手术仿真系统18的输出端共同接入监视器19；从手控制站16与主手控制站17之间通过网络90相连接。本发明具有如下优点：保护医护人员；医生不必在X光的照射下工作，减少了“受线”机会。具有通用性，适合任何厂家的髓内钉手术，手术效果好。由计算机专家系统根据图像信息确定的手术规划结果比人脑根据经验形成的手术规划效果好，并且机器人的定位和运动精度比人手要高几个数量级，手术精度高。降低手术费用：病人术后康复周期短，并且异地的病人避免了往返路费，大大节省了费用。减轻病人痛苦：手术创伤小，且一次整复就能满足要求，避免了二次手术给病人带来的痛苦。远程干预：通过网络信息交互，即使是偏远地区的病人也能得到远程专家的诊断和治疗，当地医生也可以得到专家的指点。手术教学训练；80％的手术失误是人为因素引起的，所以手术训练极其重要。医生可在虚拟手术系统上观察专家手术过程，也可重复实习，使得手术培训的时间大为缩短，同时减少了对昂贵的实验对象的需求。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图，图2是医用牵引复位并联机器人1与高精度全自动C形臂X光机4及多功能自动手术床15和导航机器人5的工作位置示意图，图3是医用牵引复位并联机器人1的结构示意图，图4是高精度全自动C形臂X光机4的结构示意图，图5是多功能自动手术床15的结构示意图。
具体实施方式：
(参见图1、图2)本实施方式由从手端80和主手端70组成，从手端80由医用牵引复位并联机器人1、正骨调整机构2、正骨复位机构3、高精度全自动C形臂X光机4、导航机器人5、CCD摄像机6、高速图像采集卡7、图像处理单元8、机构控制单元9、位置传感器10、力传感器11、位置/力信号采集卡12、机器人控制器13、伺服、力控制单元14、多功能自动手术床15、从手控制站16、位置传感器10′、力传感器11′、位置/力信号采集卡12′、机器人控制器13′、伺服、力控制单元14′组成；主手端70由主手控制站17、虚拟手术仿真系统18、监视器19、遥操作并联主手20、力传感器11″、位置/力信号采集卡12″、机器人控制器13″、伺服、力控制单元14″、位置传感器10″、图像处理单元8′组成；从手端80的医用牵引复位并联机器人1设置在多功能自动手术床15的端侧，正骨调整机构2设置在医用牵引复位并联机器人1上，正骨固定机构3设置在多功能自动手术床15上的一侧，高精度全自动C形臂X光机4设在多功能自动手术床15的边侧，导航机器人5设在多功能自动手术床15的另一边侧，高精度全自动C形臂X光机4的输出端与高速图像采集卡7的输入端a相连接，CCD摄像机6的输出端与高速图像采集卡7的输入端b相连接，高速图像采集卡7的输出端与图像处理单元8的输入端相连接，图像处理单元8的输出端与从手控制站16的输入端z相连接，机构控制单元9的双向端口C与CCD摄像头6的双向端口相连接，机构控制单元9的双向端口d与高精度全自动C形臂X光机4的双向端口相连接，机构控制单元9的双向端口y与从手控制站16的双向端口k相连接，位置传感器10的输出端与位置/力信号采集卡12的输入端e相连接，位置传感器10的输出端f与导航机器人5的输入端相连接，导航机器人5的输出端与力传感器11的输入端相连接，力传感器11的输出端与位置/力信号采集卡12的输入端相连接，位置/力信号采集卡12的输出端与机器人控制器13的输入端h相连接，机器人控制器13的输出端与伺服、力控制单元14的输入端相连接，伺服、力控制单元14的输出端与导航机器人5的输入端g相连接，机器人控制器13的双向端口j与从手控制站16的双向端口m相连接，医用牵引复位并连机器人1上的输出端与位置传感器10′的输入端相连接，位置传感器10′的输出端与位置/力信号采集卡12′的输入端相连接，位置/力信号采集卡12′的输出端与机器人控制器13′的输入端相连接，机器人控制器13′的输出端与伺服、力控制单元14′的输入端相连接，伺服、力控制单元14′的输出端与医用牵引复位并联机器人1的输入端相连接，医用牵引复位并联机器人1的输出端o与力传感器11′的输入端相连接，力传感器11′的输出端与位置/力信号采集卡12′的输入端p相连接，机器人控制器13的双向端口q与从手控制站16的双向端口n相连接；主手端70的遥操作并联主手20的输出端与力传感器11″的输入端相连接，力传感器11″的输出端与位置/力信号采集卡12″的输入端S相连接，遥操作并联主手20的输出端r与位置传感器10″的输入端相连接，位置传感器10″的输出端与位置/力信号采集卡12″的输入端相连接，位置/力信号采集卡12″的输出端与机器人控制器13″的输入端相连接，机器人控制器13″的输出端与伺服、力控制单元14″的输入端相连接，伺服、力控制单元14″的输出端与遥操作并联主手20的输入端相连接，机器人控制器13″的双向端口与主手控制站17的双向端口相连接，主手控制站17的输出端w与虚拟手术仿真系统18的输入端相连接，主手控制站17的输出端t与图像处理单元8′的输入端相连接，图像处理单元8′的输出端与虚拟手术仿真系统18的输出端共同接入监视器19；从手控制站16与主手控制站17之间通过网络90相连接。(参见图3)医用牵引复位并联机器人1由上平台21、虎克铰支链22、虎克铰23、滚珠丝杠装置24、联轴器25、连接平台26、支撑架27、下平台28、电机29组成，支撑架27固定在连接平台26与下平台28之间，电机29固定在下平台28的下侧，联轴器25的下端与电机29的输出轴相连接，联轴器25的上端与滚珠丝杠装置24的下端相连接，滚珠丝杠装置24的上端与虎克铰23的下端相连接，虎克铰23的上部与虎克铰支链22的下端相连接，虎克铰支链22的上部与上平台21的下侧铰接。(参见图4)，高精度全自动C形臂X光机4由y向驱动机构30、y向传动机构31、护罩32、z向传动机构33、z向驱动机构34、水平旋转驱动机构35、垂直旋转驱动机构36、C形臂支撑架37、C形臂38、C形导轨39、X光发射装置40、C形臂驱动机构41、X光接收装置42、升降平移机构43、直线导轨44、底座45、x向驱动机构46组成。直线导轨44设在底座45上，y向传动机构31设置在直线导轨44上，y向驱动机构30固定在y向传动机构31的一侧上，x向驱动机构46固定在y向传动机构31的下部，z向传动机构33固定在y向传动机构31的上部，z向驱动机构34固定在z向传动机构33的外侧上部，升降平移机构43固定在z向传动机构33一侧的y向传动机构31的上部，z向传动机构33及z向驱动机构34的外侧设有护罩32，水平旋转驱动机构35设置在升降平移机构43的上部，垂直旋转驱动机构36设置在水平旋转驱动机构35的上部，C形臂支撑架37固定在水平旋转驱动机构35的一侧上，C形臂驱动机构41固定在C形臂支撑架37内，C形臂38设在C形臂支撑架37及C形臂驱动机构41的外侧上，C形导轨39固定在C形臂38上，X光发射装置40固定在C形臂38的上端，X光接收装置42固定在C形臂38的下端。(参见图5)多功能自动手术床15由头背板47、牵引挡柱48、翻转机构49、大腿板50、小腿板51、小腿板下翻机构52、床面翻转机构53、y向平移机构54、x向平移机构55、底座56、电机58、支架59、z向平移机构60组成，x向平移机构55固定在底座56上侧，y向平移机构54固定在x向平移机构55上部的一侧，z向平移机构60固定在y向平移机构54的上部，z向平移机构60的外部固定有支架59，z向平移机构60的底部固定有电机58，头背板47设在支架59的上端，大腿板50的一侧由翻转机构49与头背板47的一端相连接，大腿板50的另一侧由小腿板下翻机构52与小腿板51相连接，牵引挡柱48固定在大腿板50一侧的头背板47的上平面上，床面翻转机构53固定在大腿板50一侧的支架59上并与头背板47的下部相连接。
手术流程：
1、通过正骨调整机构2、正骨固定机构3等辅助设施，将患者固定在多功能自动手术床15上。
2、调整多功能自动手术床15与医用牵引复位并联机器人1之间的相对位置关系，预紧。
3、医生在主手端远距离控制机构控制单元9，驱动从手端的高精度全自动C形臂X光机4拍摄患者断骨处的X光图像，经高速图像采集卡7采集后，送到图像处理单元8进行处理，获得骨断处的信息，并数字化，然后由从手控制站16通过网络传递到主手控制站17，显示在监视器19上。
4、医生根据数字化信息和X光图像，进行手术规划，确定手术方案。
5、医生通过虚拟手术仿真系统18演示手术的整个过程，根据仿真结果，对手术方案进行修改，直到满意为止。
6、医生根据手术方案，在主手端通过遥操作并联主手20控制医用牵引复位并联机器人1，医用牵引复位并联机器人1在机器人控制器13和伺服、力控制单元14的驱动下完成牵引、复位等正骨动作。位置/力信号采集卡12采集医用牵引复位并联机器人1上的位置传感器10′和力传感器11′信息，反馈到主手控制站17，再通过遥操作并联主手20上的位置传感器10″、力传感器11″、位置/力信号采集卡12″、机器人控制器13″和伺服、力控制单元14″作用在遥操作并联主手20上，使医生具有力的感觉，就好像亲手做手术一样；
7、控制高精度全自动C形臂X光机4，拍摄患者断骨处图像，确认牵引、复位效果。
8、牵引、复位效果达到要求后，医生手动将带锁髓内钉插入骨髓腔。
9、控制高精度全自动C形臂X光机4，拍摄包含髓内钉近端和远端锁孔的照片，经图像处理后，确定每个锁孔在图像空间的位置和空间姿态。
10、图像空间、机器人空间、手术空间的坐标转换。
11、根据获得的机器人位置和姿态信息，通过导航机器人5上的位置传感器10、力传感器11、位置/力信号采集卡12、机器人控制器13和伺服、力控制单元14驱动导航机器人5运动到相应位置，使导航机器人5的末端执行器从空间(位置和姿态)瞄准每个锁孔。
12、医生在机器人导航下完成钻孔(或由机器人直接钻孔)。
13、医生置入锁钉、缝合、术后处理。
14、手术完毕。
15、整个手术在CCD摄像机6监视下进行。