机器人辅助基于人体力线牵引的下肢骨干骨折复位

　　作者：于凌涛, 杜志江, 孙立宁, 郝晨光 作者单位：哈尔滨工业大学 机器人研究所, 哈尔滨南岗区一街2号 150001

　　【关键词】 骨折

　　下肢骨干骨折手术中，内固定之前的主要工作是骨折的复位，在传统的临床手术中，骨折的复位装置通常只有一个线性自由度，所以复位效果并不理想。为此本文介绍了一种机器人辅助下肢骨干骨折正骨系统及作为其核心技术的机器人辅助行力线牵引的复位方法。实验表明，该方法可以提高复位效果，并降低医生的工作强度和所受辐射剂量。该研究既为下肢骨干骨折内固定手术奠定了基础，也为实现更加复杂的矫形外科手术的机器人系统积累了经验。

　　1 机器人辅助下肢骨干骨折正骨系统

　　目前，机器人辅助整形外科手术(computer-assisted orthopaedic surgery，CAOS)越来越成为世界机器人领域的研究热点[1]，它在精确手术路径规划、手术靶点定位、微创手术(Minimally lnvasive Surgery,MIS)[2,3]、无损伤诊疗、手术模拟、远程手术等过程中得到了广泛应用。这不仅促进了传统医学的革命，也带动了新技术、新理论的发展[4]。

　　将机器人引入整形外科手术系统可以明显改善手术的精度、效果、稳定性和自动化程度。并且，由于直接三维成像设备价格昂贵、操作复杂，致使很难将这些设备应用于常规的临床外科手术，所以研制基于普通二维C型臂X线机的更可靠、更灵活、更容易操作的机器人辅助矫形外科手术系统具有重要的理论意义和实际应用价值[5,6]。

　　图1所示为哈尔滨工业大学研制的一种新颖的机器人辅助正骨系统：HIT-CAOS，其构建的目的是辅助医生完成人体四肢非开放性骨折的整复和髓内钉锁定工作，尤其是股骨和胫骨骨折[7,8]。根据功能需要，该系统包括复位并联机器人、精密C型臂X线机、导航机器人、多功能自动手术床、计算机控制系统和医生工作台等。

　　系统的主要功能包括：

　　(1)利用精密C型臂X线机获取具有骨折处的正、侧位X线片为医生提供骨折信息;

　　(2)采用复位并联机器人，模拟医生复位手法，在图像的导航下，实现对断骨的牵引、续接等复位操作;

　　(3) 通过图像标定和配准，用导航机器人在图像的引导下完成髓内钉孔的导航或钻孔操作，辅助医生完成髓内钉锁钉手术;

　　此外该系统还具有遥控操作手术、虚拟手术仿真、远程手术等功能。

　　2 基于人体力线牵引复位的基本原理

　　人体下肢力线是股骨头中心经膝关节到踝关节中心的连线，如图2所示。沿力线牵引时，肌肉群会沿力线作用，这样可以纠正短缩移位和侧方移位，再利用跟骨牵引的旋转动作纠正旋转移位。作者每次沿力线方向牵引一小段距离，牵引后由于髋、膝、踝等关节的转动，力线方向将会发生改变，作者再沿着新的力线方向继续牵引，直至断骨两端的力线基本重合，最后沿力线方向压缩完成复位。

　　3 复位实验及结果

　　为了验证该牵引复位方法的正确性和可行性，我们联合哈医大二院进行了尸体标本实验。实验的基本步骤如下：

　　(1)首先手术环境消毒，并将标本近端用绷带固定在多功能自动手术床上，将断骨远端用克氏针固定在复位并联机器人上，如图3;

　　(2)然后控制精密C型臂X线机，拍摄断骨处的正、侧位X线片，如图4;

　　(3)医生在图形界面上沿腿骨近端骨髓腔画出人体力线。根据一定的算法获取人体力线的空间矢量方向，如图5;

　　(4)再控制复位并联机器人沿着力线方向牵引或压缩一定的距离，在此过程中，腿部肌肉群会沿力线作用，自动调整髋关节、膝关节和踝关节转动，从而纠正短缩移位和侧方移位;

　　(5)重复步骤2～4直至断骨两端力线基本重合，最后利用跟骨牵引的旋转动作纠正旋转移位并沿力线方向压缩，从而最终实现腿骨骨干骨折的复位。

　　复位结束后，拍摄正、侧位X线片，检验复位效果，如图6所示。

　　图3 标本的固定 图4 复位前骨折处的正、侧位X线片 图5 根据正、侧位X线片计算人体力线空间矢量方向 图6 复位后骨折处的正、侧位X线片

　　实验表明，机器人辅助基于人体力线的骨干骨折牵引复位方法能够满足植入髓内钉要求，实现复位。

　　该方法对断骨两端的固定要求比较低，减少了患者的手术创伤;同时，应用机器人辅助复位，可以使医生远离辐射区，减少医生的辐射剂量和劳动强度，实用性更好，有利于临床实现。

　　4 结 论

　　用先进的仪器辅助手术是医疗的发展方向，本文介绍了一种新颖的机器人辅助下肢骨干骨折正骨系统及作为其核心技术的基于力线牵引的骨干骨折复位方法。该研究既为下肢骨干骨折内固定手术奠定了基础，也为实现更加复杂的矫形外科手术的机器人系统积累了经验。今后将进一步进行机器人骨科手术效果定量评价体系的工作。

　　【参考文献】

　　[1] 丁.P.鲁迪，WM.墨菲.骨折治疗的AO原则[M].华夏出版社,2003，1-139.

　　[2] Sun Li-ning，Du Zhi-jiang，Pu Li-xin，et al.A state of the art survey of surgical robots[J]. 2004,3:890-896.

　　[3] Chung Jong Ha, Ko Seong2young,Know Dong Soo.Robot assisted femoral stem imp lantation using an intramedulla gauge[J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 2003, 5 :893-901.

　　[4] Shoham M, Burman M, Zehavi E.Bone mounted miniature robot for surgical procedures: concept and clinicalapp lication[J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 2003,5:893-901.

　　[5] Liu WY, Hu L,Wang TM, et al. A novel fluoroscopy-guided auto-frame navigation system for distal locking of intramedullary nails[J]. CAOS-International, 2004:379-379.

　　[6] 吴冬梅，杜志江，孙立宁.机器人辅助骨科微创手术[J].中国矫形外科杂志，2005，24:1845-1847.

　　[7] FU Lixin, DU Zhijiang, SUN Lining. A novel robot assisted bonesetting system [R]. IEEE /RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) , 2004,2247-2252.

　　[8] WU Dong-mei, DU Zhi-jiang,JIA Zhi-heng,et al. A new robot-assisted orthopedic surgery simulation system[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2006,13: 258-262.