面向并联骨折手术机器人的复位轨迹自动式规划方法

作     者：李锦龙 刘传耙 孙涛 张弢 连宾宾 宋轶民 LI Jin-long;LIU Chuan-ba;SUN Tao;ZHANG Tao;LIAN Bin-bin;SONG Yi-min

作者机构：天津大学机械工程学院天津300350 天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300350 天津医院天津300211 

基　　金：国家重点研发计划(2018YFB1307800) 国家自然科学基金(51775367) 天津市科技计划(18PTLCSY00080,20201193,18YFSDZC00010)资助项目 

出 版 物：《机械工程学报》 (Journal of Mechanical Engineering)

年 卷 期：2022年第58卷第5期

页      码：26-33页

摘      要：并联骨折手术机器人及其计算机辅助诊疗技术解决了骨折复位手术治疗创伤大、易二次感染的风险,但现有骨折复位轨迹规划方法存在碰撞检测效率低、复位路径长及肌肉牵拉力大等问题,难以实现精准安全的复位治疗。针对此问题,提出一种融合碰撞检测、肌肉力分析和最短路径搜索的骨折复位轨迹自动式规划方法。首先,基于患者的CT影像重建三维骨模型,以患者健侧骨模型为复位参考,获取骨折复位的目标。其次,定义碰撞检测阈值,基于八叉树搜索算法快速查找断骨间的最小距离点,实现断骨碰撞检测。随后,由OpenSim的标准模型通过缩放特征建立个性化骨折肌肉模型,实时获取复位过程的肌肉牵拉力。最后,以骨块无碰撞、肌肉牵拉力最小和路径最短为约束条件,设计A*算法的轨迹搜索节点与估价函数,实现轨迹规划。开展所述方法与交互式轨迹规划方法针对9组胫腓骨骨折的复位轨迹规划对比实验,本方法平均规划时间仅为3.2 s,比交互式方法耗时减小了两个数量级,平均复位路径长度为24.3 mm,减小了36.7%,平均肌肉力是96.4 N,减小了16.2%。结果表明,本方法轨迹规划耗时短、复位效率高且轨迹安全性高,为精准安全骨折复位治疗提供了新思路。

主 题 词：骨折复位 并联骨折手术机器人 复位轨迹规划 碰撞检测 肌肉力分析 

学科分类：1004[医学-公共卫生预防医学类] 10[医学] 

核心收录：

D　O　I：10.3901/JME.2022.05.026

馆 藏 号：203110906...