腓骨切割自动停刀装置、计算机设备、系统和介质转让专利
申请号 : CN202110791237.6
文献号 : CN113409341B
文献日 : 2022-05-03
发明人 : 刘剑楠 , 胡俊磊 , 张陈平 , 韩婧 , 王梓霖 , 郭陟永 , 刘一戈
申请人 : 上海交通大学医学院附属第九人民医院
摘要 :
权利要求 :
1.一种腓骨切割自动停刀装置,其特征在于,所述装置包括:获取模块,用于依据术前医学影像及术前规划方案以确定腓骨直径,并在按照术前规划方案执行切割过程中,分别记录切割初始位置,同时实时记录当前切割位置和对应的当前切割力,并不断更新切割过程中的最大切割力;
阈值模块,用于在按照术前规划方案执行切割过程中,依据切割力曲线、当前切割位置、当前切割力、依据腓骨直径、及最大切割力确定实时动态的切割阈值;其中,所述切割阈值为:根据截骨锯与腓骨接触时,切割力会由0迅速增加,并在截骨锯把腓骨锯断的时,切割力会迅速下降的切割力曲线的特点,求出实际接触腓骨的切入点位置;
其中,XT为实际接触腓骨的切入点位置;F(x)为切割力曲线;X为当前位置;D为腓骨直径;基于XT得到切割阈值: T为切割阈值,Fmax为最大切割力;
判定模块,用于判断当前切割力与最大切割力的比值是否超过当前的切割阈值;若否,则继续按照术前规划方案执行切割;若是,则判断当前切割位置距离初始切割位置是否大于预设系数乘以腓骨直径的数值;若是,则发送停止指令以供截骨锯停止切割。
2.根据权利要求1所述的腓骨切割自动停刀装置,其特征在于,所述当前切割力是通过切割过程中设于腓骨夹具上的多个力传感器所获的多个不同方向的力反馈得到的;其中,在切割过程中腓骨被所述腓骨夹具夹持,并保持静止不动。
3.根据权利要求2所述的腓骨切割自动停刀装置,其特征在于,所述依据多个不同方向的力反馈得到当前切割力前,依据腓骨重量进行重力补偿。
4.根据权利要求2所述的腓骨切割自动停刀装置,其特征在于,所述当前切割力为:其中,FC为当前切割力;Fi为不同位置的力反馈;n为力反馈数量。
5.根据权利要求1所述的腓骨切割自动停刀装置,其特征在于,所述预设系数小于1。
6.一种计算机设备,其特征在于,所述设备包括:存储器、处理器、及通信器;所述存储器用于存储计算机指令;所述处理器运行计算机指令实现如权利要求1至5中任意一项所述的腓骨切割自动停刀装置的功能;所述通信器,用于通信连接截骨锯,以供向截骨锯发送用于停止切割的停止指令;以及用于通信连接腓骨夹具,以获取其提供的实时切割力。
7.一种切割腓骨自动停刀系统,其特征在于,所述系统包括:如权利要求6所述的计算机设备;
截骨锯,通信接连所述计算机设备,用于切割腓骨,并在接收到计算机设备发送的停止指令时停止切割;
腓骨夹具,通信接连所述计算机设备,用于夹持腓骨,其上设有多个力传感器,依据反作用力原理以向计算机设备实时反馈切割过程中的切割力。
8.一种计算机可读存储介质,其特征在于,存储有计算机指令,所述计算机指令被运行时执行如权利要求1至5中任意一项所述的腓骨切割自动停刀装置的功能。
说明书 :
腓骨切割自动停刀装置、计算机设备、系统和介质
技术领域
背景技术
坏。手术机器人由于精准、稳定等特性,成为辅助医生完成血管化腓骨瓣塑形的手段之一。
手术机器人精确地定位到术前规划的位置并切割腓骨。目前,大部分下颌骨手术机器人采
用光学导航定位仪对截骨过程进行位置控制[1‑3],其手术精度(截取的腓骨段的长度与对
应的手术规划设计的腓骨段的误差)为3.7±2.0mm[1]和1.36±0.4mm[3]。从定位精度上
看,通过光学定位系统引导的手术机器人存在破坏血管的风险。而且,目前几乎没有相关机
器人截骨自动停刀的研究。
in mandible reconstruction surgery,”in IEEE 15th International Conference on
Automation Science and Engineering,2019.
mandible reconstruction surgery,”Advanced Intelligent Systems,vol.3,no.1,
p.2000158,2021.
free flap mandible reconstruction:A preclinical investigation,”Microsurgery,
vol.36,no.3,pp.246–249,2016.
发明内容
在破坏血管的风险的问题。
前规划方案执行切割过程中,分别记录切割初始位置,同时实时记录当前切割位置和对应
的当前切割力,并不断更新切割过程中的最大切割力;阈值模块,用于在按照术前规划方案
执行切割过程中,依据切割力曲线、当前切割位置、当前切割力、依据腓骨直径、及最大切割
力确定实时动态的切割阈值;判定模块,用于判断当前切割力与最大切割力的比值是否超
过当前的切割阈值;若否,则继续按照术前规划方案执行切割;若是,则判断当前切割位置
距离初始切割位置是否大于预设系数乘以腓骨直径的数值;若是,则发送停止指令以供截
骨锯停止切割。
际接触腓骨的切入点位置; 其中,XT为实际接触
腓骨的切入点位置;F(x)为切割力曲线;X为当前位置;D为腓骨直径;基于XT得到切割阈值:
其中,T为切割阈值,Fmax为最大切割力。
具夹持,并保持静止不动。
的腓骨切割自动停刀装置的功能;所述通信器,用于通信连接截骨锯,以供向截骨锯发送用
于停止切割的停止指令;以及用于通信连接腓骨夹具,以获取其提供的实时切割力。
接收到计算机设备发送的停止指令时停止切割;腓骨夹具,通信接连所述计算机设备,用于
夹持腓骨,其上设有多个力传感器,依据反作用力原理以向计算机设备实时反馈切割过程
中的切割力。
前规划方案执行切割过程中,分别记录切割初始位置,同时实时记录当前切割位置和对应
的当前切割力,并不断更新切割过程中的最大切割力;阈值模块,用于在按照术前规划方案
执行切割过程中,依据切割力曲线、当前切割位置、当前切割力、依据腓骨直径、及最大切割
力确定实时动态的切割阈值;判定模块,用于判断当前切割力与最大切割力的比值是否超
过当前的切割阈值;若否,则继续按照术前规划方案执行切割;若是,则判断当前切割位置
距离初始切割位置是否大于预设系数乘以腓骨直径的数值;若是,则发送停止指令以供截
骨锯停止切割。
性。
附图说明
具体实施方式
施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离
本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施
例中的特征可以相互组合。
寸绘制,但其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型
态也可能更为复杂。
某种构成要素时,只要没有特别相反的记载,则并非将其它构成要素,排除在外,而是意味
着可以还包括其它构成要素。
分、成分、区域、层或段。因此,以下叙述的第一部分、成分、区域、层或段在不超出本申请范
围的范围内,可以言及到第二部分、成分、区域、层或段。
征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组,但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组
件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括
性的,或意味着任一个或任何组合。因此,“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个:
A;B;C;A和B;A和C;B和C;A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相
排斥时,才会出现该定义的例外。
应的当前切割力,并不断更新切割过程中的最大切割力。
还包括非骨头部分的组织部分;另外,本申请中腓骨直径也并非为腓骨最大直径或是平均
直径,而是对应术前规划方案中的切割路径。由于腓骨并非是圆柱体,因此其实际的切割路
径才对应本申请中的腓骨直径。
夹持,并保持静止不动。
力反馈。
紧在中间。具体地,可在如图中231‑234位置上设置力传感器,以获得多个方向的力反馈F1‑
F4。其中,优选地,F1、F2、F3的三个方向互相垂直,F2、F4方向相反。
具仅将多个不同方向的力反馈数据传输给本装置100的获取模块110,由获取模块110通过
对应的维度或角度来计算最后的当前切割力。
时,切割力会由0迅速增加;当截骨锯把腓骨锯断的时候,切割力会迅速下降,为了判断腓骨
是否被截断,本申请采用一个切割阈值来表示:
对应上述两部分区间之间的最小X位置值,即X等于实际接触腓骨的切入点位置,以此找到
XT切入点位置。
是不断更新切割过程中最大切割力Fmax,因此,参考如图4所示的切割力曲线可知,在切割距
离0到切入点位置XT之间时,最大切割力Fmax是不断动态变化的,当到达切入点位置XT之后,
后面的最大切割力Fmax均未超过该位置时的最大切割力,因此,实际上在到达切入点位置XT
之后,切割阈值T是不再变化了。
置是否大于预设系数乘以腓骨直径的数值;若是,则发送停止指令以供截骨锯停止切割。
割位置X,在切割过程中,不断更新切割过程的最大力Fmax。如果F/Fmax未超过截断阈值T,则
继续按照原有规划方案进行,否则,当前切割位置F距离初始切割位置F0是否大于k*D,若
是,则停止机器人,切割结束。
系统的鲁棒性。
全部以软件通过处理元件调用的形式实现;也可以全部以硬件的形式实现;还可以部分模
块通过处理元件调用软件的形式实现,部分模块通过硬件的形式实现。例如,判定模块130
可以为单独设立的处理元件,也可以集成在上述系统的某一个芯片中实现,此外,也可以以
程序代码的形式存储于上述系统的存储器中,由上述系统的某一个处理元件调用并执行以
上判定模块130的功能。其它模块的实现与之类似。此外这些模块全部或部分可以集成在一
起,也可以独立实现。这里所述的处理元件可以是一种集成电路,具有信号的处理能力。在
实现过程中,上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑
电路或者软件形式的指令完成。
一个或多个微处理器(digital signal processor,简称DSP),或,一个或者多个现场可编
程门阵列(Field Programmable Gate Array,简称FPGA)等。再如,当以上某个模块通过处
理元件调度程序代码的形式实现时,该处理元件可以是通用处理器,例如中央处理器
(Central Processing Unit,简称CPU)或其它可以调用程序代码的处理器。再如,这些模块
可以集成在一起,以片上系统(system‑on‑a‑chip,简称SOC)的形式实现。
机指令;所述处理器602运行计算机指令实现如图1所述的所述的腓骨切割自动停刀装置的
功能;所述通信器603一方面用于通信连接截骨锯,以供向截骨锯发送用于停止切割的停止
指令;另一方面用于通信连接腓骨夹具,以获取其提供的实时切割力。
图6中均以一个为例。
行存储在存储器601中的应用程序,从而实现如图1所述的物体检测硬件加速器的功能。
601存储有操作系统和操作指令、可执行模块或者数据结构,或者它们的子集,或者它们的
扩展集,其中,操作指令可包括各种操作指令,用于实现各种操作。操作系统可包括各种系
统程序,用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。
(Digital Signal Processing,简称DSP)、专用集成电路(Application Specific
Integrated Circuit,简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,
简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
总线通信连接的CAN通信模块。所述通信连接可以是一个或多个有线/无线通讯方式及其组
合。通信方式包括:互联网、CAN、内联网、广域网(WAN)、局域网(LAN)、无线网络、数字用户线
(DSL)网络、帧中继网络、异步传输模式(ATM)网络、虚拟专用网络(VPN)和/或任何其它合适
的通信网络中的任何一个或多个。例如:WIFI、蓝牙、NFC、GPRS、GSM、及以太网中任意一种及
多种组合。
是为了清除说明起见,在图6中将各种总线都成为总线系统。
夹具730可参考如图2所示的腓骨夹具。
各个方面的计算机可读程序指令。
电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具
体的例子(非穷举的列表)包括:便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器
(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩
盘只读存储器(CD‑ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储
有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可
读存储介质不被解释为瞬时信号本身,诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波
导或其他传输媒介传播的电磁波(例如,通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电
信号。
储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算
机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机
可读程序指令,并转发该计算机可读程序指令,以供存储在各个计算/处理设备中的计算机
可读存储介质中。用于执行本申请操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构
(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、集成电路配置数据
或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码,所述编程语言包括面向
对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等,以及过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编
程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执
行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全
在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中,远程计算机可以通过任意种
类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机,或者,可以连接到外部
计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中,通过利用计算
机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路,例如可编程逻辑电路、现场可编程门
阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA),该电子电路可以执行计算机可读程序指令,从而实现
本申请的各个方面。
照术前规划方案执行切割过程中,分别记录切割初始位置,同时实时记录当前切割位置和
对应的当前切割力,并不断更新切割过程中的最大切割力;阈值模块,用于在按照术前规划
方案执行切割过程中,依据切割力曲线、当前切割位置、当前切割力、依据腓骨直径、及最大
切割力确定实时动态的切割阈值;判定模块,用于判断当前切割力与最大切割力的比值是
否超过当前的切割阈值;若否,则继续按照术前规划方案执行切割;若是,则判断当前切割
位置距离初始切割位置是否大于预设系数乘以腓骨直径的数值;若是,则发送停止指令以
供截骨锯停止切割。
此,举凡所属技术领域中包含通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完
成的一切等效修饰或改变,仍应由本申请的权利要求所涵盖。