新技术实现对骨折的个性化精准复位与量化康复

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随着经济社会发展、人口老龄化加剧、交通运输规模膨胀等多种因素的交叉影响,创伤性骨折疾病频繁发生,日趋成为影响人类生命和健康的突出问题。

对此,来自天津大学MRS实验室的骨科医疗机器人团队目前研发设计的“下肢骨折复位与康复一体化机器人”可以实现对骨折患者的个性化精准复位与量化康复。该项目不久前在第四届中国研究生机器人创新设计大赛中获国家一等奖。

据介绍,传统骨折手术受制于医师经验和术中设备,存在手术风险高、创伤大、复杂术式难普及等不足,易发生复位不精准、二次感染等风险。自上世纪90年代中期,机器人技术开始被引入骨科领域,在临床上辅助医生进行精准控制、微创操作,其在提高手术精度、降低手术伤害、减轻医师劳动强度等方面优势明显。

然而在临床上,目前下肢骨折复位与康复临床存在着复位精度差、力/位反馈缺失、复位/康复脱节、康复盲目化和康复周期长等问题。

针对这些问题,该团队提出利用机器人技术实现骨折精准复位和术后量化康复的一体化理念。围绕该课题,他们研制出了世界首款重量小于2kg的可穿戴式骨折手术与康复一体化机器人,并形成了与之配套的骨折复位轨迹规划软件。该套系统可以实现1.1毫米和1.2度以内复位精度,有效提高骨折复位的效果。

该获奖团队队长、天津大学博士生贺志远介绍,团队研发的这款一体化机器人,可通过力采集系统获取机器人末端的受力,采用基于关节空间的导纳控制器,实现机器人对骨折主被动康复的柔顺安全控制。考虑机械刺激调控细胞组织分化,团队又提出了一套骨组织生长算法,描述宏观刺激调控微观粒子生长的骨折二次愈合机理,并形成了完整的力学调控模型,实现对患者术后骨折愈合的个性化分析。“这实际上就是依据骨愈合机理,通过对骨折部位定期施加外力刺激来促进骨头的愈合过程,这可以缩短患者的康复周期。”贺志远解释,如此一来,便能利用机器人技术贯穿骨折复位手术、术后固定和康复锻炼的全过程,实现骨折复位与康复的一体化。

除此之外,研究还形成了一套面向骨折手术与术后康复全周期的信息采集监测与评价系统。该系统可实现骨折治疗不同阶段的运动/力信息采集,并依靠断骨位移和成角畸形参数、静态负重比、动态负重比和踝关节活动度等指标进行手术与康复的量化评价,辅助医师规划患者的康复治疗方案。

目前,团队正在与中国人民解放军总医院第一医学中心、天津大学天津医院、北京通和立泰生物科技有限公司合作开展动物实验和临床试验。r

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