一种用于锁定髓内钉的新型计算机辅助整形外科(4)

介绍了一套用于整形外科的全自动机器人系统.该系统中的并联机器人取代了传统的复位工具,并提出了一种简单、准确的基于几何模型的对准方法,得到一条能够穿过髓内钉远端孔的三维路径,引导串联机器人锁定髓内钉.实验结果表明,该系统有足够的定位精度和稳定性,并可以大大减

机 器 人 年 月

和Χχ和Δχ和Εχ和Φχ和Φχ间的距Βχ,Χχ,Δχ,Εχ,Βχ离.并得到如下的方程:

(Αξχ Βξχ) (Αψχ Βψχ) (Αζχ Βζχ) κ ΑχΒχ ( )χ) (Βψχ Χψχ) (Βζχ Χζχ) κ ΒχΧχ (Βξχ Χξ ( )χ) (Βψχ Δψχ) (Βζχ Δζχ) κ ΒχΔχ (Βξχ Δξ

为了验证该几何模型的内钉远端孔和钢球的轮廓

我们在标定盒的上!下表面又分别安装了两准确度

个钢球 利用该算法得出的结果表明 误差范围在满足锁孔的误差要求 该误差来源有 ? 内 计算钢球圆心时的误差 算法的误差 但是 当我们

把锁钉路径由标钉盒坐标系转换到机器人工具坐标发现位置误差达到? 为了降低误系下时 我们校正了两个坐标系间的转换矩阵 最后 位差

置误差减少到? 5 2 实验结果

显示了用局部法校正图像图 和图 的对比

的结果

( )

(Δξχ Εξχ) (Δψχ Εψχ) (Δζχ Εζχ) κ ΔχΕχ ( )χ) (Εψχ Φψχ) (Εζχ Φζχ) κ ΕχΦχ (Εξχ Φξ ( )χ) (Βψχ Φψχ) (Βζχ Φζχ) κ ΒχΦχ (Βξχ Φξ ( )

其中, 是点Αχ和Βχ在图像平面的距离,单ΑχΒχ 位是像素, ΒχΧχ ΒχΔχ ΔχΕχ ! ! !类同.常数κ可以事先测得, ΕχΦχ ΒχΦχ ! 单位是 测量方法如下 将一根 长 ¬

的铁丝放在增强器表面,成像后,除以像的长度.

这样,就得到参数Α!Β!Δ!ξ !ψ和ζ的值.如图 所示,经过髓内钉远端孔(用圆柱体表示)上

下两个圆的圆心的直线交立方体上!下表面于点μ和ν,这两点在图像平面上的投影为μχ和νχ.同理,我们也可以计算出点μχ和νχ到点Αχ!Βχ!Χχ!Δχ!

之间的距离,然后利用已经得到的参数Α!Β!Εχ!Φχ

Δ!ξ!ψ和ζ,就可求出点μ和ν在坐标系{Ο }下

图 标定圆盘的畸变图像

∏

图 标定圆盘的矫正图像

≤

的坐标.这样,我们就得到了经过髓内钉远端孔的直线方程.

髓内钉孔由于受到÷光的照射在影像增强器上理论上 如果÷光的照射方向合适 髓内钉孔成像

假如照射在影像增强器中央的投影正好是一个圆

所成的像外形上类似于椭圆 旋方向偏离理想位置

转≤型臂使之绕该椭圆投影的长轴旋转一个角度Η可以使该投影变成一个圆,这时点μ和νχ重合 在具我们把投影当作一个椭圆来处理 标定盒体实验中

这样得到标定盒坐标与串联机器人末端关节固联

再转换到机器人工具坐标系下 系下的穿孔路径后

就可以完成图像导航下机器人锁钉

平 在对猪腿骨和塑料胫骨所做的穿孔试验中 均操作时间为 平均位置误差为 平

锁钉成功率为 而使均照射时间为 平均操作时间为 平均用传统的穿钉方法

照射时间为 锁钉成功率为 从中我 照射时间大大减少 们可以看出

6 结论(Χονχλυσιον)

本文介绍了一种用于锁定髓内钉远端孔的计算此系统适用于多种髓内钉 在机辅助整形外科系统

找到合适的拍摄角度后 该系统仅需一张照片就可以定位 在图像采集和机器人控制过程中使用远程减少÷线对医生的照射时间 此外 我们在并控制

联从手和串联机器人上各自安装了一个六维力传感其中一个传感器用于监控并联机器人施加在患器

者腿上的力 另外一个传感器用于监控安装在串联在机器机器人末端关节上的骨钻对腿骨施加的力 人控制中采用安全设计 并使用已消毒的覆盖物把以降低临床使操作设备从手术室中的消毒区隔开 用中的风险

5 实验结果和分析(Εξπεριμενταλρεσυλτσ

ανδαναλψσισ)

我们进行了多次试验 验证理论的正确性 并对实验中采集的数字图像实验数据进行了仔细分析

所有的算法都均为 像素的 位灰度图像

用 ≤ 实现

5 1 误差分析

为了提高精度 我们首先把采集到实验过程中

然后利用≤ 的图像进行畸变校正 算子提取髓