一种基于网络互联调控的骨水泥填充系统及方法

本发明涉及骨水泥填充，具体涉及一种基于网络互联调控的骨水泥填充系统及方法。

背景技术：

1、骨水泥是一种用于骨科手术的医用材料，由聚甲基丙烯酸甲酯(白色粉剂)和无色带刺激气味的单体丙烯酸甲酯(液体)混合制成。骨水泥填充器是将搅和好且在固化期前的骨水泥推进至人体骨质疏松及溶骨性改变的椎体松质骨内进行填充的设备。现有的骨水泥填充器多为手动推进，这就需要医护人员在手术床前进行操作，且注入骨水泥时需要全程在透视（如使用x光机）下进行。

2、骨水泥填充手术（椎体成形/后凸成形）全程依赖x光机（临床常用c型臂x光机）实时透视定位、监控穿刺通道与骨水泥弥散情况，属于“术中高频辐射场景”，其辐射危害主要为电离辐射损伤，分为即时直接危害与长期累积危害。

3、结合当前骨水泥的实地填充系统，其主要存在如下两个方面的问题：

4、第一，骨水泥填充器主要依赖于临床人工操作，医护人员长期处于辐射环境中；

5、第二，部分可依赖于机械臂进行操作，但这类机械臂的操作原理往往聚焦与参数标定的方式来调整机械臂的单次线性进给进程、总进程次数、旋转运动角度、单次骨水泥注入量，该参数标定的方式依赖于该环境下的经验，精准度较差。而这对于骨水泥的注入来说，参数标定的方式忽略了医生在操作时的非线性连续性等依托透视环境下的非定量操作，参数标定的方式会使得充注不满或多次少量的操作，影响实际操作时的“手感”；

6、第三，特别是在远程会诊或远程协助时，医生需要结合远程视频或图像作出相应的判断，而由于视频或图片存在变形或者比例尺差异，仅通过以上观察难以实现准确的参数量化，从而对远程操作产生一些不利影响。

7、在以上异端和远程操作中，医生的反馈往往均依赖于视频或图像，再通过参数量化的方式控制远端的操作端，在该过程中忽略了医生的手感等经验性的作用以及实时反馈进行的定性调整，对于部分医生而言，迥然不同的操作方式难以发挥出真实的技术，从而影响了实际的操作效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于网络互联调控的骨水泥填充系统及方法，以解决现有技术中临床人工骨水泥填充手术会使得医生长期频繁处于放射环境内，容易出现人体损害，骨水泥填充器依靠机械臂手术时，大多通过参数标定方式来调整机械臂的单次线性进给进程、总进程次数、旋转运动角度、单次骨水泥注入量以及总注入次数，完全凭经验设定，精准度差的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

3、一种基于网络互联调控的骨水泥填充系统，包括填充执行端与远程调控端，所述填充执行端设置于放射环境内，所述远程调控端设置于放射环境外；

4、所述填充执行端包括驱动基座与用于向目标位置注入骨水泥的填充器单元，所述驱动基座内设有线性驱动单元与旋转驱动单元，所述线性驱动单元被配置为驱动所述填充器单元沿预设穿刺通道执行靠近或远离目标位置的线性进给运动；所述旋转驱动单元被配置为驱动所述填充器单元绕所述穿刺通道的中心轴线旋转，以调节骨水泥的注入朝向；

5、所述远程调控端通过运动映射模块将运动轨迹及操作信号实时处理为矢量信号，并通过联网模块建立与所述填充执行端的线性进给运动、旋转运动及骨水泥注入动作之间的一一对应映射关系，以将所述矢量信号传输至所述填充执行端并进行实时操作。

6、作为本发明的一种优选方案，所述远程调控端为分体式远程操作单元，所述远程调控端至少包括相互独立的第一操作单元和第二操作单元；所述第一操作单元用于控制所述线性驱动单元和所述旋转驱动单元的动作，所述第二操作单元用于控制骨水泥注入动作，二者操作信号相互独立、互不干扰。

7、作为本发明的一种优选方案，所述第一操作单元内置有轴向位移检测模块、周向旋转检测模块、主控芯片以及第一通信单元；

8、所述轴向位移检测模块用于实时采集第一操作单元沿自身中心轴线的推拉位移信号，所述周向旋转检测模块用于实时采集第一操作单元绕自身中心轴线的旋转角度信号与旋转角速度信号，所述主控芯片将采集到的位移信号、角度信号处理后通过所述第一通信单元传输至所述运动映射模块。

9、作为本发明的一种优选方案，所述第一操作单元内部预配置有核心运动映射参数，所述核心运动映射参数包括线性运动映射系数张量kl、旋转运动映射系数张量kr以及运动方向对应规则；

10、其中，线性运动采用空间位移矢量映射关系，表达式为：

11、=kl ，式中为所述线性驱动单元驱动填充器单元预设穿刺通道的实际线性进给矢量，兼具位移大小与运动方向属性，表征填充器单元靠近或远离目标位置的运动状态，为所述第一操作单元沿自身中心轴线的轴向推拉位移矢量，kl为线性运动映射系数张量，用于标定所述第一操作单元的单位位移矢量与所述线性驱动单元的线性进给矢量的比例对应关系；

12、旋转运动采用周向角位移矢量映射关系，表达式为：

13、=kr，式中为所述旋转驱动单元驱动所述填充器单元绕穿刺通道中心轴线的实际旋转角位移矢量，兼具旋转角度大小与旋转方向属性；为所述第一操作单元绕自身中心轴线的操作旋转角位移矢量，kr为旋转运动映射系数张量，用于标定所述第一操作单元的单位旋转角矢量与所述旋转驱动单元的旋转角矢量的比例对应关系；

14、所述运动方向对应规则为：将所述第一操作单元沿穿刺通道指向目标位置方向推送时，对应的线性进给矢量方向为靠近目标位置，所述第一操作单元反向回拉时，对应的线性进给矢量方向为远离目标位置；所述第一操作单元的周向旋转矢量方向，直接对应所述填充器单元绕预设的穿刺通道轴线的旋转方向，实现注入朝向的同步定向调节。

15、作为本发明的一种优选方案，所述主控芯片内均配置有运动限位参数与死区阈值参数；

16、所述运动限位参数包括线性进给最大行程阈值和旋转运动最大角度阈值，超出阈值范围的操作信号被主控芯片屏蔽；

17、所述死区阈值参数为微小操作位移阈值，低于该阈值的晃动信号也被主控芯片屏蔽。

18、作为本发明的一种优选方案，所述第二操作单元用于控制骨水泥注入动作，所述第二操作单元内部预配置填充量映射参数，以建立第二操作单元操作信号与填充器单元注入量的一一映射关系；

19、所述填充量映射采用标量定量映射关系，表达式为：

20、v=kv，式中v为填充器单元的实际单次注入体积，为所述第二操作单元的操作触发位移/按压力度模拟量，kv为填充量映射系数；

21、所述第二操作单元沿预设按压方向触发时，所述填充器单元执行正向注入动作，松开操作后立即停止注入，且注入动作与第一操作单元的线性、旋转动作相互独立，互不干扰。

22、作为本发明的一种优选方案，所述第二操作单元还配置有填充量安全限位参数，包括单次最大注入量阈值vmax和最小注入量死区阈值vmin；

23、当计算所得实际注入量v≥vmax时，系统强制切断注入驱动信号；

24、当计算所得实际注入量v＜vmin，不触发注入动作；

25、所述第二操作单元内置有压力感应模块或直线位移检测模块，以及第二无线通信单元；

26、所述压力感应模块或直线位移检测模块用于实时采集操作触发模拟量，且将实时采集的操作触发模拟量通过第二无线通信单元同步传输至运动映射模块，实现注入量的无级精准调控。

27、作为本发明的一种优选方案，所述填充执行端还设有位置反馈模块，所述位置反馈模块用于实时采集所述填充器单元的实际线性位置与旋转姿态，所述填充执行端将所述填充器单元的实际线性位置与旋转姿态通过联网模块回传至远程调控端，形成闭环反馈控制，以修正线性运动映射系数张量kl和旋转运动映射系数张量kr。

28、另外，本发明还提供了一种基于网络互联调控的骨水泥填充方法，包括以下步骤：

29、步骤100、在填充执行端将填充器单元插入在预设的穿刺通道内，操作人员转移至远程调控端；

30、步骤200、在远程调控端实时观测填充器单元的注射口位置，并基于填充器单元的注射口位置与目标位置之间的线性距离，操控远程调控端的第一操作单元，通过发送多个控制指令调控填充器单元沿着预设的穿刺通道插入至目标位置；

31、步骤300、操控远程调控端的第二操作单元，使得填充器单元能够将骨水泥多次均匀注射在目标位置，并基于目标位置内骨水泥分布密度操控远程调控端的第一操作单元，以调整填充器单元的注射口朝向；

32、步骤400、实时观测目标位置内的骨水泥分布量，当骨水泥分布量满足停止注射指征时，停止注射；

33、步骤500、操控远程调控端的第一操作单元，基于第一操作单元与填充器单元的线性驱动单元的映射关系形成线性驱动单元的控制指令，通过发送多个控制指令调控填充器单元沿着预设的穿刺通道退出。

34、作为本发明的一种优选方案，在所述步骤200至步骤500中，所述远程调控端的第一操作单元的旋转动作与所述填充器单元的旋转动作之间存在映射关系，所述远程调控端的第一操作单元的推拉进程与所述填充器单元靠近目标位置和远离目标位置的线性进程之间存在映射关系；

35、所述远程调控端的第二操作单元的单次操作触发位移/按压力度与填充器单元的单次骨水泥注入量之间存在映射关系。

36、本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

37、本发明将填充执行端与远程调控端分为两个独立的模块，以尽可能减少辐射对医生的影响，另外，依托于运动映射模块将远程调控端的操作转换为矢量信号，并通过联网模块传输至填充执行端，使得填充执行端可以直接仿真模拟运动映射模块的动作幅度以及注射操作，在整个过程中无需采用常规参数量化的进行数字转化，从而使得远程操作可以直接复刻医生的“手感”等非线性、非定量操作，使得操作环境与常规一致，医生在使用时无需考虑不同的环境，可快速进入状态进行远程操作，且可保障操作效果。