机器人辅助膝关节置换手术的切骨标定方法.pdf

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1、第５期（总第２０４期）机械工程与自动化No．５２０１７年１０月MECHANICAL_ENGINEERING_&_AUTOMATIONOct．文章编号：１６７２‐６４１３（２０１７）０５‐００２２‐０３机器人辅助膝关节置换手术的切骨标定方法李俊良，刘冠峰，周圣熊，陈炜楠，李_坚（广东工业大学机电工程学院，广东_广州_５１０００６）摘要：为了帮助医生及患者更好地完成膝关节置换，提出了一种简单、实用的膝关节骨标定方法。该方法主要是利用人体完整下肢力线的生理特点，再结合既定的切骨顺序进行标定。采用在人体膝盖骨上划线的方式进行了膝盖骨的标定实验。结

2、果表明：所分析关键股骨定位技术具有较高的精确度，满足手术的基本要求。关键词：全膝关节置换术；膝关节骨标定；机器人系统中图分类号：TP２４２.３___文献标识码：A0_引言定性的作用。由于髌骨的切骨相对简单，无须刻意标２１世纪以来，机器人外科手术的研究非常活跃，定，故本文中膝关节骨的标定仅针对胫骨、股骨等切骨［１－５］同时也研究出很多成果，并且出现了一些成型的表面的标定。在膝关节骨的标定过程中巧妙地运用了系统。但是，到目前为止还没有直接针对膝关节手术传统人工置换中所常用到的切骨术前划线，且为能快的研究成果和系统。全世界每年有成千上万患有膝关

3、捷地完成股骨的标定，将以切骨完成后的胫骨切骨平节疾病的病人接受全膝关节置换（TotalKneeRe‐面作为其标定的参考依据，故本文所制定的切骨顺序placement，TKR）手术，目前，TKR手术中广泛使用也区别于普通的人工置换，其标定方式是严格按照胫传统的夹具系统来进行切割定位，定位精度主要依赖骨、股骨的顺序依次完成。于医生的经验，而且夹具系统种类众多，操作繁琐，这２．１_胫骨标定无疑增加了手术的不确定性，影响了假体的安装精度膝关节骨胫骨的标定主要是由外科医生参照胫骨及膝关节运动功能的重建。鉴于此，本文以机器人辅髓外定位杆在胫骨暴露部位

4、进行划线，该划线即为胫助膝关节手术系统为平台，针对机器人辅助全膝关节骨切骨平面与胫骨表面的相交曲线，故只需获得胫骨置换术中关键的膝盖骨定位问题，提出了一种简单实切骨平面的法向量即可完成胫骨的标定。用的方法，并以实验结果加以验证。设工件坐标系为｛G｝，机器人基座坐标系为1_全膝关节置换术｛Base｝，机器人末端工具坐标系为｛T｝。胫骨切骨平面［６］在正常情况下，胫骨、股骨的解剖轴线在膝关节中的法向量获取主要运用三点标定方法，如图１所示，心处相交而形成一向外侧倾的夹角，称之为胫股角。A、B、C三点为标定点，XYZ为标定前的工件坐标经股骨干股骨

5、解剖轴与下肢力线在膝关节中心相交形系，XYZ为标定后的工件坐标系。依据胫骨切骨平′成平均约６°的外翻角，该角度随着股骨颈及股骨干长面划线而进行的胫骨标定示意如图２所示。度的不同而稍有变化，变化范围大致在４°～９°。而对三点标定法具体步骤如下：于大多数患有严重膝关节疾病，且需要接受TKR手（１）在图２所示黑色划线上取任意不共线的三点术的患者来说，由于其膝关节出现一定程度的内／外A（xa，ya，za）、B（xb，yb，zb）、C（xc，yc，zc），易得向量翻，导致胫股角发生变化，进而使得下肢力线出现畸AB和AC，由于向量AB与AC均在切骨平

6、面上，利用变，且只有通过手术中准确的测量与切骨，才能顺利完向量正交原理求得其平面法向量N＝AB×AC，再利成下肢力线的重建，并避免术后的置换关节因受力不用向量AB与N进行叉乘求得向量Y＝AB×N。均而造成松动，这也正是TKR手术的目的所在。股骨（下称工件）坐标系用矩阵｛G｝表示为：2_膝关节骨标定技术i１i２i３在机器人辅助全膝关节置换手术中，股骨远端５｛G｝＝j１j２j３．（１）个平面的切削较为复杂，它对手术的成功与否起着决k１k２k３国家基金委－广东省联合基金项目（U１４０１２４０）；国家自然科学基金资助项目（５１３７５０９５）；广东

7、省自然科学基金资助项目（S２０１３０２００１２７９７）收稿日期：２０１７‐０３‐０２；修订日期：２０１７‐０７‐０３作者简介：李俊良（１９９２‐），男，广东湛江人，在读硕士研究生，研究方向：工业机器人。_２０１７年第５期__________李俊良，等：机器人辅助膝关节置换手术的切骨标定方法·２３·TTTRase其中：（i１，j１，k１）、（i２，j２，k２）、（i３，j３，k３）分别为向TRZYX（，α，）β＝γ量AB、Y、N的′方向向量，同时也是坐标系｛G｝各个坐－r１１r１２－r１３标轴方向的单位矢量。RZ（）RY（α）RX（β）＝γ

8、－r２１r２２－r２３．（５）－r３１r３２－r３３其中：Rz（）R（）αRx（γ）β表示先γ将机器人末端工具坐∧∧∧标系｛T｝绕ZT旋转角，再绕αYT旋转角，最后β绕XT旋转角。γ（６）将求