發(fā)布時(shí)間：2020-04-11 04:54

【摘要】：股骨是人體內(nèi)最長(zhǎng)、最大的負(fù)重骨,股骨干骨折是下肢常見的高能量損傷,其功能恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng),如果治療不當(dāng),將引起下肢畸形及功能障礙,給社會(huì)和家庭帶來巨大負(fù)擔(dān)。近年來,股骨干骨折閉合復(fù)位髓內(nèi)釘內(nèi)固定術(shù)是治療股骨骨折的有效療法,其對(duì)橫形、斜形及螺旋形骨折,具有很好的治療效果。該手術(shù)成功的關(guān)鍵在于骨折斷端間接復(fù)位。由于肌體閉合復(fù)位時(shí)骨折部位不可見,復(fù)位難度大、效率低、保持復(fù)位狀態(tài)困難;反復(fù)操作時(shí)易導(dǎo)致額外的軟組織損傷。為保證復(fù)位準(zhǔn)確性,手術(shù)過程須在C臂X光機(jī)全程透視監(jiān)控下進(jìn)行,持續(xù)的放射暴露和沉重的鉛防護(hù)服對(duì)醫(yī)護(hù)人員造成累積職業(yè)傷害。本文根據(jù)上述相關(guān)研究背景,針對(duì)典型股骨干骨折閉合復(fù)位的關(guān)鍵問題,提出基于軟體-剛體結(jié)合的機(jī)器人技術(shù),開展骨折復(fù)位機(jī)器人技術(shù)研究,以期為機(jī)器人輔助復(fù)位找到可行方案。論文的主要內(nèi)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(diǎn),根據(jù)骨折類型探討骨折的治療過程,討論了骨折復(fù)位力計(jì)算模型的建立,從理論上分析了不同個(gè)體骨折復(fù)位時(shí)所需復(fù)位力的大小,并自主設(shè)計(jì)一種長(zhǎng)干骨骨折閉合復(fù)位力測(cè)量裝置,在體臨床監(jiān)測(cè)股骨骨折閉合復(fù)位過程中的復(fù)位力學(xué)參數(shù),為合理設(shè)計(jì)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供參考,最大限度降低骨折復(fù)位時(shí)對(duì)患者造成的二次傷害。簡(jiǎn)單股骨干骨折后骨折斷端可以簡(jiǎn)化為兩條異面直線,骨折復(fù)位就是調(diào)整異面直線姿態(tài)使股骨干解剖學(xué)或功能性復(fù)位,恢復(fù)其身體力線及功能。從機(jī)械學(xué)角度來講,骨折復(fù)位需要六個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)(三個(gè)方向沿軸移動(dòng)和三個(gè)方向繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)),而人體下肢關(guān)節(jié)本身也具有運(yùn)動(dòng)自由度。因此,從人體下肢的解剖學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征出發(fā),討論了髖、膝、踝關(guān)節(jié)能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)及范圍,并對(duì)骨折復(fù)位機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)提出設(shè)計(jì)要求。詳細(xì)介紹了典型股骨干骨折復(fù)位機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),包括牽引執(zhí)行機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及套筒式復(fù)位單元,并介紹了骨折復(fù)位機(jī)器人的電機(jī)和軟體驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。骨折復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng),包括牽引執(zhí)行機(jī)構(gòu)的3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線平移運(yùn)動(dòng)(也稱三坐標(biāo)直角坐標(biāo)系機(jī)器人系統(tǒng)),旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的1個(gè)帶輪驅(qū)動(dòng)和1對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),以及另1對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)(膝關(guān)節(jié))運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)骨折斷端獨(dú)立移動(dòng)控制,并維持復(fù)位狀態(tài)以便進(jìn)行后續(xù)髓內(nèi)釘置入及絞鎖等操作。根據(jù)設(shè)計(jì)的骨折復(fù)位機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu),建立機(jī)器人的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系,并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等。利用蒙特卡洛法分析機(jī)器人的工作空間和可操作度,并采用矢量積法求解機(jī)器人雅可比矩陣,給出骨折復(fù)位機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的閉式解。機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)。本課題所研制的典型股骨干骨折復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)采用軟體驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)方式,將骨折斷端復(fù)位時(shí)所需的運(yùn)動(dòng)自由度結(jié)合人體下肢結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別由相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng),做到微創(chuàng)環(huán)境下的骨折復(fù)位治療。軟體驅(qū)動(dòng)器屬于柔性驅(qū)動(dòng),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(fù)位過程中的路徑規(guī)劃問題,對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器的特性進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究,并利用軟體驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行軌跡跟蹤控制。股骨骨折的治療原則是復(fù)位骨折斷端,恢復(fù)肢體力線及長(zhǎng)度,無旋轉(zhuǎn)錯(cuò)位,且盡可能微創(chuàng)操作以保護(hù)骨折部位血運(yùn),促進(jìn)骨折愈合,并在一定術(shù)后功能鍛煉下,最大限度保存肢體功能。氣動(dòng)技術(shù)具有清潔安全、柔順性、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),已被應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域,也是微創(chuàng)治療的重要選擇。本課題旨在設(shè)計(jì)一種臨床上和技術(shù)上可行的微創(chuàng)典型股骨干骨折復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng),提供持續(xù)足夠的復(fù)位力輔助外科醫(yī)生完成骨折復(fù)位并保持。考慮到股骨周圍肌肉本身對(duì)骨折復(fù)位的影響,利用硅膠及橡皮管特性,自主設(shè)計(jì)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(duì)骨折復(fù)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(duì)骨折復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。整個(gè)復(fù)位工作過程進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)反饋及力學(xué)信息采集,通過上位機(jī)提供的直觀視覺監(jiān)視,模擬骨折臨床復(fù)位工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了本課題提出的典型股骨干骨折復(fù)位機(jī)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(xué)（University Clinic of Regensburg）的 BerndFüchtmeier 等人研制的‘RepoRobo’股骨骨折復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)[11]。它是由史陶比爾工業(yè)機(jī)器人（St ubli robot-model RX130）改進(jìn)而來，，屬于典型的串聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)，由六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)加桿件組成，能夠?qū)崿F(xiàn) 6 個(gè)自由度方向的移動(dòng)。此機(jī)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(nèi)釘插入、絞鎖等步驟；由于機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)用的場(chǎng)所是手術(shù)室，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能小、輕，并方便移動(dòng)；控制程序語言簡(jiǎn)單，方便外科醫(yī)生學(xué)習(xí)掌握；為了安全起見，機(jī)器人系統(tǒng)工作速度限制在一定范圍內(nèi)，并在緊急情況下能急速回轉(zhuǎn)�！甊epoRobo’股骨骨折復(fù)位機(jī)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(nèi)進(jìn)行骨折復(fù)位操作。機(jī)械臂末端裝有兩個(gè)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(yuǎn)端固定連接，機(jī)械臂的移動(dòng)帶動(dòng)骨折遠(yuǎn)端的移動(dòng)，從而完成骨折復(fù)位工作，整個(gè)系統(tǒng)控制通過一個(gè)控制板實(shí)現(xiàn)。手術(shù)時(shí)，外科醫(yī)生通過控制板輸入關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)值，從而實(shí)現(xiàn)骨折斷端對(duì)齊復(fù)位并保持。六維力/力矩傳感器全程采集復(fù)位過程中的力學(xué)信息以指導(dǎo)外科醫(yī)生操作，防止因操作不當(dāng)引起的醫(yī)療事故。當(dāng)然，整個(gè)手術(shù)過程是在無菌環(huán)境下進(jìn)行，且整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)需要經(jīng)過嚴(yán)格的消毒程序。

遙操作骨折復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：2623180