【摘要】：股骨是人體內最長、最大的負重骨,股骨干骨折是下肢常見的高能量損傷,其功能恢復時間長,如果治療不當,將引起下肢畸形及功能障礙,給社會和家庭帶來巨大負擔。近年來,股骨干骨折閉合復位髓內釘內固定術是治療股骨骨折的有效療法,其對橫形、斜形及螺旋形骨折,具有很好的治療效果。該手術成功的關鍵在于骨折斷端間接復位。由于肌體閉合復位時骨折部位不可見,復位難度大、效率低、保持復位狀態(tài)困難;反復操作時易導致額外的軟組織損傷。為保證復位準確性,手術過程須在C臂X光機全程透視監(jiān)控下進行,持續(xù)的放射暴露和沉重的鉛防護服對醫(yī)護人員造成累積職業(yè)傷害。本文根據上述相關研究背景,針對典型股骨干骨折閉合復位的關鍵問題,提出基于軟體-剛體結合的機器人技術,開展骨折復位機器人技術研究,以期為機器人輔助復位找到可行方案。論文的主要內容如下:分析股骨骨折的原因、分類及骨折后骨折斷端移位特點,根據骨折類型探討骨折的治療過程,討論了骨折復位力計算模型的建立,從理論上分析了不同個體骨折復位時所需復位力的大小,并自主設計一種長干骨骨折閉合復位力測量裝置,在體臨床監(jiān)測股骨骨折閉合復位過程中的復位力學參數,為合理設計相關執(zhí)行機構提供參考,最大限度降低骨折復位時對患者造成的二次傷害。簡單股骨干骨折后骨折斷端可以簡化為兩條異面直線,骨折復位就是調整異面直線姿態(tài)使股骨干解剖學或功能性復位,恢復其身體力線及功能。從機械學角度來講,骨折復位需要六個自由度方向的運動(三個方向沿軸移動和三個方向繞軸轉動),而人體下肢關節(jié)本身也具有運動自由度。因此,從人體下肢的解剖學和運動學特征出發(fā),討論了髖、膝、踝關節(jié)能實現的運動及范圍,并對骨折復位機器人的整體結構提出設計要求。詳細介紹了典型股骨干骨折復位機器人的整體結構設計,包括牽引執(zhí)行機構、旋轉執(zhí)行機構以及套筒式復位單元,并介紹了骨折復位機器人的電機和軟體驅動器驅動控制系統(tǒng)。骨折復位機器人系統(tǒng)能實現6個自由度方向的運動,包括牽引執(zhí)行機構的3個電機驅動直線平移運動(也稱三坐標直角坐標系機器人系統(tǒng)),旋轉執(zhí)行機構的1個帶輪驅動和1對軟體驅動器驅動的旋轉運動,以及另1對軟體驅動器驅動的旋轉(膝關節(jié))運動,實現骨折斷端獨立移動控制,并維持復位狀態(tài)以便進行后續(xù)髓內釘置入及絞鎖等操作。根據設計的骨折復位機器人機械結構,建立機器人的關節(jié)坐標系,并進行運動學分析等。利用蒙特卡洛法分析機器人的工作空間和可操作度,并采用矢量積法求解機器人雅可比矩陣,給出骨折復位機器人逆運動學的閉式解。機器人末端執(zhí)行器運動過程中的軌跡規(guī)劃問題很重要,是提高工作效率和保證操作要求的重要因素,也是機器人運動控制和結構優(yōu)化的基礎。本課題所研制的典型股骨干骨折復位機器人系統(tǒng)采用軟體驅動器和電機相結合的驅動方式,將骨折斷端復位時所需的運動自由度結合人體下肢結構特點分別由相應驅動器驅動,做到微創(chuàng)環(huán)境下的骨折復位治療。軟體驅動器屬于柔性驅動,具有非線性特性,而人體肌肉組織又是非線性的,屬于“軟碰軟”問題。討論了骨折復位過程中的路徑規(guī)劃問題,對軟體驅動器的特性進行理論與實驗研究,并利用軟體驅動器和電機分別驅動旋轉關節(jié)和移動關節(jié)進行軌跡跟蹤控制。股骨骨折的治療原則是復位骨折斷端,恢復肢體力線及長度,無旋轉錯位,且盡可能微創(chuàng)操作以保護骨折部位血運,促進骨折愈合,并在一定術后功能鍛煉下,最大限度保存肢體功能。氣動技術具有清潔安全、柔順性、易維護等優(yōu)點,已被應用于醫(yī)療康復領域,也是微創(chuàng)治療的重要選擇。本課題旨在設計一種臨床上和技術上可行的微創(chuàng)典型股骨干骨折復位機器人系統(tǒng),提供持續(xù)足夠的復位力輔助外科醫(yī)生完成骨折復位并保持�？紤]到股骨周圍肌肉本身對骨折復位的影響,利用硅膠及橡皮管特性,自主設計一種帶仿真肌肉的下肢骨折模型從形狀及功能上模擬肌肉對骨折復位的影響。以橫形骨折為例,在同一肌肉收縮力及四種不同肌肉收縮力狀態(tài)下對骨折復位機器人系統(tǒng)進行了實驗驗證。整個復位工作過程進行了相關參數反饋及力學信息采集,通過上位機提供的直觀視覺監(jiān)視,模擬骨折臨床復位工作。實驗結果證實了本課題提出的典型股骨干骨折復位機器人系統(tǒng)的有效性。
【圖文】：

如圖 1-1 所示為由德國雷根斯堡臨床大學（University Clinic of Regensburg）的 BerndFüchtmeier 等人研制的‘RepoRobo’股骨骨折復位機器人系統(tǒng)[11]。它是由史陶比爾工業(yè)機器人（St ubli robot-model RX130）改進而來，，屬于典型的串聯機器人系統(tǒng)，由六個轉動關節(jié)加桿件組成，能夠實現 6 個自由度方向的移動。此機器人系統(tǒng)能夠承受 240N 的力并保持穩(wěn)定，以方便后續(xù)髓內釘插入、絞鎖等步驟；由于機械系統(tǒng)應用的場所是手術室，整體結構應盡可能小、輕，并方便移動；控制程序語言簡單，方便外科醫(yī)生學習掌握；為了安全起見，機器人系統(tǒng)工作速度限制在一定范圍內，并在緊急情況下能急速回轉�！甊epoRobo’股骨骨折復位機器人系統(tǒng)裝有六維力/力矩傳感器，可以輔助外科醫(yī)生在安全范圍內進行骨折復位操作。機械臂末端裝有兩個指狀手抓，同 AO 外固定支架固定連接，而外固定支架又同骨折遠端固定連接，機械臂的移動帶動骨折遠端的移動，從而完成骨折復位工作，整個系統(tǒng)控制通過一個控制板實現。手術時，外科醫(yī)生通過控制板輸入關節(jié)運動值，從而實現骨折斷端對齊復位并保持。六維力/力矩傳感器全程采集復位過程中的力學信息以指導外科醫(yī)生操作，防止因操作不當引起的醫(yī)療事故。當然，整個手術過程是在無菌環(huán)境下進行，且整個機械系統(tǒng)需要經過嚴格的消毒程序。

遙操作骨折復位機器人系統(tǒng)
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP242

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本文編號：2623180