骨折复位机器人抓持装置的设计与应用研究

摘要

机器人辅助手术技术在骨科各领域进展迅速，在关节外科和脊柱外科已经有数款手术机器人投入临床使用，但自从25年前文献首次报道尝试使用机器人进行骨折复位至今尚没有任何一款用于长骨骨折复位的机器人获得上市销售的批准。其原因在于没有理想的装置实现抓持与骨界面间力与扭矩的传递。解放军总医院创伤骨科团队长期致力于长骨骨折复位的机器人的研究，在前期的研究中已解决股骨远端与机器人连接问题。但是对于股骨近端抓持装置是从临床常用的持骨器改造而来，存在抓持不稳的问题，如果这个问题得不到解决，机器人就不能实现精准复位。　　目的：　　1．设计一款新型抓持装置；　　2．通过有限元分析对比新型抓持装置与持骨器的力学差异　　3．通过尸体实验对比新型抓持装置与持骨器的复位复位精度差异　　4．初步临床应用　　方法：　　1．通过接触约束理论分析现有持骨器抓持不稳的主要原因为：①持骨器不能满足管状骨的空间形封闭条件；②持骨器抓持管状骨时需要适当的预加力实现力封闭；③复位时骨折端所受外力及外力矩不能在实施抓持时准确预判；④接触界面存在骨膜、血液、脂肪可能会改变摩擦锥顶角大小从而使力封闭失效。　　2．分析大腿局部解剖特点，确定股骨周围血管神经的安全界面，根据机器人配准需求和股骨的解剖特点，确定最佳的抓持位置为小粗隆下方，结合171例患者CT数据小粗隆下方的尺寸进行测量，确定抓持装置尺寸。完成初步设计后利用有限元分析模拟静强度测试，通过力-位移、力-应力、力-应变曲线变化，在曲线脱离线性关系时提示出现塑形形变。　　3．通过有限元分析对比新型抓持装置与持骨器的力学差异，新型抓持装置性能强于持骨器，且有显著统计学差异（p＜0.001），文献报道的来自股骨前方最大载荷为516.5N,持骨器组骨折断端在受到该载荷时，Y方向上的最大位移远超过4mm，已不能满足髓内钉导引针顺利通过骨折断端。　　4．将新型抓持装置加工出实物后，通过尸体实验与持骨器对比两者的抓持效能体现为骨折复位精度上的差异。　　结果：　　1．在刚体力学范畴内，形封闭不需要考虑摩擦，也不需要预加力，是一种理想的约束方式，通过改变管状骨外形可以实现空间形封闭。　　2．静强度测试中对的观察发现，分别在1900N、1400N、1500N脱离直线关系，初步确定1400N为最大安全载荷。　　3．通过有限元分析对比新型抓持装置与持骨器的力学差异，新型抓持装置性能强于持骨器，且有显著统计学差异（p＜0.001），文献报道的来自股骨前方最大载荷为516.5N,持骨器组骨折断端在受到该载荷时，Y方向上的最大位移远超过4mm，已不能满足髓内钉导引针顺利通过骨折断端。　　4．将新型抓持装置加工出实物后，通过尸体实验与持骨器对比两者的抓持效能体现为骨折复位精度上的差异。　　5．在尸体实验中采用新型抓持装置的骨折复位残余量达到X轴平移-0.95±0.67mm，Y-轴平移0.69±0.87mm，Z-轴平移0.82±1.02mm，X-轴旋转0.13±0.07°Y-轴旋转0.29±0.21°，Z-轴旋转0.31±0.20°，其抓持性能明显优于持骨器（p＜0.001）。　　结论：　　本研究通过形封闭理论提出了一种一种新型骨折抓持装置的结构，在新的设计基础上通过有限元分析、尸体实验等方法验证，提高了骨折复位机器人精度。初步试验结果表明，该新型抓取装置能够满足临床实际需要，为股骨干髓内钉手术中的有效抓持股骨近端提供了一种新解决方案，可为后续进一步提供参考。

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