一种四肢远端骨折复位机器人及使用、复位方法与流程

本发明涉及一种医疗机器人，具体为一种四肢远端骨折复位机器人，属于医疗设备技术领域。

背景技术：

对于四肢末端的骨折，如常见的桡骨远端骨折、踝部骨折等，使用手法复位结合石膏固定术是目前最常用的保守治疗方法。目前临床上均由医生人工完成上述操作，但是可能存在以下问题：1.医生经验存在差异，对复位的判断存在偏差，可能会影响治疗效果；2.暴力复位可导致骨折移位加重，关节损伤加重等；3.因暴力牵拉骨折复位等操作会引起损伤处疼痛，患者体验差。因此，设计一款基于人工智能技术，可实现自动化骨折复位，的机器人装置，具有一定的临床应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种四肢远端骨折复位机器人，以解决现有技术的上述技术问题。本专利与现有技术相比，优势在于：1.可在透视下进行复位；2.人工智能技术辅助复位；3.可实现侧方复位。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

一种四肢远端骨折复位机器人，包括壳体，所述壳体内侧设置有一个可容纳患者四肢放入的腔体；所述的壳体沿轴向方向上至少设置有两个部分，所述的壳体与腔体之间沿轴向方向上设置有伸缩机构，壳体随伸缩机构的运行沿轴向方向上伸缩；所述腔体内设置有两个卡环：远端卡环和近端卡环，所述的两个卡环间距离随腔体1伸缩而变化；所述的腔体侧壁上设置有侧位气囊；所述的腔体内侧设置有体表扫描仪；所述的伸缩机构、体表扫描仪、侧位气囊分别与控制电路电性连接。

所述的卡环为充气气囊或柔性凸起中的一种。所述的两个卡环分别设置于手腕处和手肘处。

所述的侧位气囊包括有多个可单独控制的侧位气囊单元，360度均匀设置于腔体内侧壁。

所述的壳体轴向方向的两个部分之间通过柔性连接件连接；更进一步地，所述柔性连接件为波纹管、橡胶圈、套管中的一种。

所述的伸缩机构为带有步进电机的丝杆机构或气缸机构。

所述体表扫描仪为x线机、红外线仪或b超中的一种。其他可进行摄片或者透视功能的仪器也可以使用。

所述壳体外侧设置有铅板，避免x线透视时对外的放射线。

上述四肢远端骨折复位机器人的使用方法，其步骤为：

1.将手臂或小腿自腔体口部进入；

2.腔体内的体表扫描仪进行摄片，并将图片信息传输至主控电脑；

3.根据x线图片以及导入的ct图片，计算出最佳的复位方案；

4.所述的伸缩机构受控于控制电路，实现自动对骨折近端和远端的牵拉复位；

5.管状腔体内侧的侧方气囊(或者软性突出物)，通过压力传感器的数据实现自动侧方充气或放气挤压，有利于复位操作；

6.复位完成后，进行x线摄片，机器评价确认骨折恢复情况。

本发明具有以下有益效果：

(1)结合人工智能机器深度学习技术，通过对实施透视摄片或ct图像分析，对于患者骨折情况进行判定，随后得出最优的骨折复位方案。

(2)使用近端和远端牵拉，纠正短缩移位，通过气囊侧方挤压，纠正侧方移位。

(3)复位中及复位后进行实施摄片，评价骨折复位程度。满足功能复位后，系统自动提示复位工作结束。其中在多个环节采用了深度学习模型优化了复位方案的效果。采用深度学习模型的环节包括：

1.模型重建中对三维模型特征的学习(三维参数与患者基本信息，如年龄、性别、体重、身高等之间的关系)；

2.对骨折分类的学习(如骨折方法与骨折类型之间的学习等)；

3.对牵引力和牵引效果的学习。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2根据本发明实施例的骨折部位x-ray三维重建示意图。

图中，1、壳体；2、腔体；3、远端卡环；4、近端卡环；5、功能位恢复面；6、体表扫描仪；9、柔性连接件。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。

如图1所示的一种四肢远端骨折复位机器人，包括壳体1，所述壳体1内侧设置有一个可容纳患者四肢放入的腔体2；所述的壳体1沿轴向方向上至少设置有两个部分，所述的壳体1与腔体2之间沿轴向方向上设置有伸缩机构，壳体随伸缩机构的运行沿轴向方向上伸缩；所述腔体1内设置有两个卡环：远端卡环3和近端卡环4，所述的两个卡环间距离随腔体1伸缩而变化；所述的腔体2内侧设置有体表扫描仪6；所述的腔体2侧壁上设置有侧位气囊；所述的伸缩机构、体表扫描仪6、侧位气囊与控制电路电性连接。

所述的卡环为充气气囊或柔性凸起中的一种。所述的两个卡环分别设置于手腕处和手肘处；所述的侧位气囊包括有多个可单独控制的侧位气囊单元，360度均匀设置于腔体内侧壁。

所述的壳体1轴向方向的两个部分之间通过柔性连接件7连接；更进一步地，所述柔性连接件9为波纹管、橡胶圈、套管中的一种。

所述的伸缩机构为带有步进电机的丝杆机构或气缸机构。

所述体表扫描仪6为x线机、红外线仪或b超中的一种。其他可进行摄片或者透视功能的仪器也可以使用。

所述壳体外侧设置有铅板，避免x线透视时对外的放射线。

使用时，将手臂或小腿自腔体口部进入；腔体内的体表扫描仪进行摄片，并将图片信息传输至主控电脑；通过深度学习技术，可实现根据x线图片以及导入的ct图片，计算出最佳的复位方案；根据该患者的x线图像，得出复位方案；所述的伸缩机构受控于控制电路，实现自动对骨折近端和远端的牵拉复位；管状腔体内侧的侧方气囊(或者软性突出物)，通过压力传感器的数据实现自动侧方充气或放气挤压，有利于复位操作；复位完成后，进行x线摄片，机器评价确认骨折恢复情况。

在确定复位方案前，首先要根据多角度x-ray扫描对骨折部位进行三维重建，该过程包括以下过程：

步骤1，在三维空间中获取多个不同角度的x-ray骨折部位的图像。以双角度成像为例，如图2所示，对目标进行两个角度x-ray成像(成像1和成像2)，获得影像1和影像2。

步骤2，根据影像1和影像2对目标以滤波反投影重建(back-projected

reconstruction)方法进行三维重建，具体包括，

(1)获得x-ray影像，对已知投影位置1和投影位置2的空间相对位置关系，并获得x-ray影像1和x-ray影像2；

(2)滤波并提取轮廓线，先用滤波函数对影像1和影像2进行滤波处理，随后提取图像的轮廓线。滤波方法包括边缘保持滤波法(edge-preservingfilters)和结构保持滤波器(structure-preservingfiltering)。

(3)反投影重建，采用直接线性变换算法(directlineartransformationalgorithm)用于三维重建，如下公式(1)，通过平面坐标点的坐标(x,y)，求出空间点的坐标(x,y,z)。其中li校正系数，与已知的两次放射源位置有关。

步骤3，为统计形态学重建(statisticalshapemodeling)建立形态学数据库，导入重建好的3d模型，该模型包括不同年龄、不同性别、不同身高的四肢远端的三维数据，对导入的平均模型进行变形并进行数字投影重建(digitallyreconstructuredradiograph)，直到投影轮廓与导入相一致(在容差范围内)；在该步骤中的模型重建中，采用与三维重建有关的包括患者基本信息如年龄、性别、体重、身高等多个样本对深度学习模型进行训练获得3d模型；

步骤4，三维模板重建(3dtemplatereconstruction)，重建初始三维模型(initial3dmodel)。类似于滤波反投影重建，根据标定后的双x-ray图像提取的轮廓信息进行重建，获得初始3d模型。三维模板类似于三维模型的骨架，做出大概的模型轮廓，然后利用后续的方法/算法(如后续所述的缩放、剪裁、变换等)继续完成3d模型的细节。

接着，做出精确目标三维模型(target3dmodel)，通过一系列对初始3d模型的部分或全部的缩放(scaling)、剪裁(shearing)和变换(transformation)等处理，使得三维模型的投影与x-ray扫描的外轮廓相吻合，即获得最终目标3d模型。其中，对初始模型的处理方法包括非立体对应轮廓算法(nonstereocorrespondingcontoursalgorithm)，自由变形算法(freeformdeformationtechnique)，拉普拉斯表面变形算法(laplaciansurfacedeformation)等。

优选的，为了获得病人骨折复位的方案，除了对骨折部位的x-ray多角度扫描和三维重建，还包括对于骨折分型(oa/ota分型)和制定牵引方案(包含个性牵引和实时导航)。其中的骨折分型(oa/ota分型)包括：

(1)提取骨折断口。通过重建的三维模型，提取患者的断口轮廓信息；

(2)计算骨折断口信息。根据骨性标志点，采取国际生物力学委员会(isb)推荐标准，建立四肢坐标系，并计算矢状面、冠状面及水平面的断口夹角信息。

(3)对骨折分型。根据以上计算值，根据oa/ota的长骨断口分型标准对骨折进行分型(详见oa/ota官网指导手册)。对骨折分类，可以采用深度学习模型，利用骨折分类样本对深度学习模型加以训练，获得最优的骨折分类结论。

牵引复位过程包括：

(1)个性化牵引复位。根据骨折分型，对不同的骨折类型实施不同大小的牵引力，并根据断口的空间位置关系计算牵引距离，到达预期位置后，进行预打石膏动作；

(2)用x-ray扫描评估复位效果。对牵引到位以后，进行快速x-ray扫描和重建，评估牵引和复位效果。对于牵引力和牵引效果的评估，也可以根据历史样本对深度学习模型进行训练，利用该模型获得更准确的关于牵引力和牵引效果的评估；

(3)在确定了牵引和复位效果，对伤处打石膏固定。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。