CN101700184B - 骨科机器人导航装置及定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种骨科机器人导航装置及定位系统，该骨科机器人导航装置包括机座，以及设置于机座上方并与机座相连的四自由度双平面定位机构，四自由度双平面定位机构包括第一串联机械臂、第二串联机械臂和直杆型导向装置，第一串联机械臂包括串联连接的第一水平运动组件、第一竖直运动组件和第一万向节，第二串联机械臂包括串联连接的第二水平运动组件、第二竖直运动组件和第二万向节，第一水平运动组件和第二水平运动组件均与机座相连，直杆型导向装置分别与第一万向节和第二万向节卡接的卡接来实现自身的定位。该装置设置于患肢侧面并通过直杆型导向装置自身来实现准确定位，适用于任意患肢部位的骨固定术，从而更好地满足手术的需求。

Description

骨科机器人导航装置及定位系统

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，特别是一种用于骨科微创手术的机器人导航装置及定位系统。

背景技术

目前，随着创伤骨科治疗技术的不断的进步和完善，已经从传统的开放型的切开复位及固定方式，发展为闭合复位和微创固定方式，借助这种新的治疗手段，从根本上避免了由于伤患部位切开而造成的二次伤害，降低了患者受到感染的机率，使患者的恢复时间也大大的缩短。目前骨科微创手术已成为创伤骨科发展的主要方向。这种新型手术方式可以说是广大患者的福音，但也存在一些弊病。由于是闭合复位和微创固定，这就决定了很多工作要暴露在X光下完成，在手术过程中辐射出的大量X射线容易对患者和手术医生的健康造成严重的威胁甚至伤害，尤其是对于手术医生，长时间的X射线辐射会造成免疫力低下等一系列健康问题。目前世界上很多国家都致力于开发各种新型的导航技术，以提高微创手术的精度，并尽可能减少手术医生和患者在手术中所受到的X射线辐射。

针对目前骨科微创手术中存在的缺陷和不足，逐渐产生了借助计算机及其控制操作软件、定位架来辅助医生进行手术的髓内钉远端锁定技术，见专利号为02158691.8，发明名称为计算机辅助髓内钉远端锁定系统的专利，该专利是在传统髓内钉固定技术的基础上，利用计算机视觉的三维成像几何原理确定出目标点几何位置，并设计出定位架结构来实现手术路径的快速定位，从而实现髓内钉固定的半自动化。该专利所述系统是将患肢放入定位架内部，由U型架将导向装置固定，并通过导向装置上的导向孔穿入锁钉，以将锁钉固定在髓内钉上的销孔中完成手术，该系统的缺点是导向装置必须由U型架进行固定，该U型架的加工涉及切割、校准等复杂工艺，并且成本高，而且一旦由于时效原因发生轻微变形，会使得导向装置定位不准确，带来很大的误差；另外，在定位架内部放置患肢，无法在大范围内调整导向装置与患者的相对位置，会使得手术所针对的患肢的部位受限，该专利只适合对胫骨或股骨的髓内钉手术，不适合任意位置的骨固定术；而且定位架在每次手术前后需要进行消毒、组装及拆卸等程序，工作繁琐，消耗人力物力，同时存在组装不正确带来的定位不准确的隐患。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种新型的骨科机器人导航装置，该装置设置于患肢侧面并通过将直杆型导向装置直接卡接在两个万向节上来实现直杆型导向装置自身的准确定位，从而实现手术路径在空间上的准确的固定，并可以在大范围内调整该直杆型导向装置与患者的相对位置，适用于任意患肢部位的骨科微创手术，从而更好地满足手术的需求，本发明还涉及一种用于骨科微创手术的定位系统。

本发明的技术方案如下：

一种骨科机器人导航装置，其特征在于，包括机座，以及设置于机座上方并与机座相连的四自由度双平面定位机构，所述四自由度双平面定位机构包括第一串联机械臂、第二串联机械臂和直杆型导向装置，所述第一串联机械臂包括串联连接的第一水平运动组件、第一竖直运动组件和第一万向节，所述第二串联机械臂包括串联连接的第二水平运动组件、第二竖直运动组件和第二万向节，所述第一水平运动组件和第二水平运动组件均与机座相连，所述第一水平运动组件与第一竖直运动组件之间、第一竖直运动组件与第一万向节之间、第二水平运动组件与第二竖直运动组件之间以及第二竖直运动组件与第二万向节之间均通过导轨相连，所述直杆型导向装置分别与第一万向节和第二万向节卡接以实现直杆型导向装置自身的定位。

所述直杆型导向装置包括管状直杆。

所述管状直杆的至少一端设置有直杆状且沿杆长方向伸缩的伸缩管体。

所述四自由度双平面定位机构与机座之间还设置有高度调整组件，所述第一水平运动组件和第二水平运动组件均与高度调整组件相连。

所述四自由度双平面定位机构与高度调整组件之间还设置有水平调整组件，所述第一水平运动组件和第二水平运动组件均与水平调整组件相连。

所述直杆型导向装置与第一万向节和第二万向节之间均隔有消毒套，所述消毒套覆盖于第一串联机械臂和第二串联机械臂的外部。

所述机座上设置有脚轮和机座固定装置。

还包括控制面板，所述控制面板上设置有控制第一水平运动组件、第一竖直运动组件、第二水平运动组件、第二竖直运动组件、高度调整组件和水平调整组件运动的控制按钮。

一种定位系统，包括C型臂、计算机及储存在计算机内的图像控制操作软件，其特征在于，还包括上述的骨科机器人导航装置。

所述骨科机器人导航装置上设置有控制面板，所述控制面板上设置有控制第一水平运动组件、第一竖直运动组件、第二水平运动组件和第二竖直运动组件运动的控制按钮，所述控制按钮与计算机内的图像控制操作软件相连。

本发明的技术效果如下：

本发明提供的骨科机器人导航装置，包括四自由度双平面定位机构，该四自由度双平面定位机构包括第一串联机械臂、第二串联机械臂和直杆型导向装置，通过在第一串联机械臂中设置第一水平运动组件，使得该第一串联机械臂中的第一竖直运动组件和第一万向节能够一起在第一水平运动组件的导轨上做水平运动，通过设置第一竖直运动组件，使得第一万向节能够在第一竖直运动组件的导轨上做竖直运动，所以第一万向节能够在第一水平运动组件和第一竖直运动组件所构成的平面中实现两个自由度的运动，同理，第二万向节也能够在第二水平运动组件和第二竖直运动组件所构成的平面中实现两个自由度的运动，当第一万向节和第二万向节分别在各自平面中运动到目标点几何位置时，将直杆型导向装置分别卡接到第一万向节和第二万向节上，也就将直杆型导向装置安装在了第一万向节中心点和第二万向节中心点之间的定位连线上，使得直杆型导向装置的位置和方向均被固定，就实现了直杆型导向装置自身的定位，该直杆型导向装置最终能够实现四个自由度的运动，故该直杆型导向装置实质上是一个具有定位作用和导向作用的装置。将本发明的骨科机器人导航装置放置在患肢的侧面进行手术，直杆型导向装置的位置和方向一旦确定，手术路径就能够实现空间上的准确的固定，例如最常用的将导针插入到患肢中的骨科微创手术，将导向套筒放入直杆型导向装置中，导针通过导向套筒内部最终插入到患肢中，所以直杆型导向装置的位置和方向一旦确定，导向套筒以及导针的位置及方向就随之精确确定，该装置无需设置U型架这一设备，故省去了加工U型架时的复杂工艺，降低了成本，同时解决了U型架由于时效变形原因导致定位不准确带来误差的问题，此外，由于本发明的骨科机器人导航装置是在患肢的侧面手术，只要导针位置精确确定，就可以将该导针插入到患肢内，可以在大范围内调整该骨科机器人导航装置与患者的相对位置，且调节方便灵活，操作也十分简便，能够避开零部件对医生操作的阻挡干涉，容易得到骨科机器人导航装置最佳的摆放位置，提高了该装置的顺应性，故可适用于任意患肢部位的骨固定术，而并非只是针对胫骨或股骨的髓内钉手术，故本发明的该装置打破了现有技术中由于在定位架内部放置患肢造成的对手术部位的局限性。

本发明骨科机器人导航装置通过设置高度调整组件，使得四自由度双平面定位机构可以从整体上实现高度方向的大幅度调整，从而可以根据在手术床上的患肢所处于的高度对四自由度双平面定位机构作相应调整，使骨科机器人导航装置被调整到最佳的摆放位置，也相当于调整了直杆型导向装置的高度位置，而无需移动机座，大大提高了骨科机器人导航装置的灵活性，缩短手术时间，从而手术更加方便。

同理，本发明骨科机器人导航装置通过设置水平调整组件，使得四自由度双平面定位机构可以从整体上实现水平方向的大幅度调整，从而可以根据在手术床上的患肢所处于的位置对四自由度双平面定位机构作相应调整，使骨科机器人导航装置被调整到最佳的摆放位置，也相当于调整了直杆型导向装置的水平位置，而无需移动机座，避免了由于骨科机器人导航装置摆放位置不合理对医生手术动作造成的阻碍。甚至在手术中，可以通过水平调整组件的运动避开对医生的干涉，在医生手术动作结束后，骨科机器人导航装置可以准确恢复到运动前的位置，水平调整组件运动准确可靠的特点，是人手调整无法达到的，这一功能大大提高了骨科机器人导航装置的灵活性。

直杆型导向装置与第一万向节和第二万向节之间均隔有消毒套，消毒套覆盖于第一串联机械臂和第二串联机械臂的外部，该骨科机器人导航装置结构紧凑，可以通过消毒套实现除直杆型导向装置之外的整个装置与手术空间的完全隔离，防止骨科机器人导航装置对手术空间的污染，使得手术空间达到手术要求的无菌标准。该骨科机器人导航装置的独特结构使得即使隔着消毒套，直杆型导向装置与万向节仍然可以准确定位，实现可靠连接，并完全杜绝了消毒套被刺破，零部件安装不到位等隐患，也无需在手术前后对骨科机器人导航装置的各部件进行组装、拆卸，以及高温蒸煮等消毒灭菌处理，更解决了骨科机器人导航装置中体积较大的部件以及机电类装置根本无法进行常规的高温蒸煮消毒灭菌的问题。

本发明涉及的定位系统包括C型臂、计算机及储存在计算机内的图像控制操作软件，以及本发明的骨科机器人导航装置，患肢放置在手术床上，将骨科机器人导航装置放置在患肢侧面，利用C型臂上的X光光源的照射在成像平面上形成图像，然后基于双目视觉原理通过计算机内的图像控制操作软件得到导针的定位信息，最后根据这些定位信息调节骨科机器人导航装置，用以实现完成直杆型导向装置的准确定位，从而实现手术路径在空间上的准确的固定。本发明的定位系统稳定可靠，并适用于任意患肢部位的骨固定术，能够很好的满足手术需求。

附图说明

图1为本发明骨科机器人导航装置的优选实施例的结构示意图；

图2为本发明骨科机器人导航装置中的优选直杆型导向装置的结构示意图；

图3为本发明的定位系统的结构示意图。

图中各标号列示如下：

1-第一水平运动组件；2-第一竖直运动组件；3-第一万向节；4-直杆型导向装置；5-水平调整组件；6-高度调整组件；7-机座；8-机座框架；9-脚轮；10-控制面板；11-第二水平运动组件；12-第二竖直运动组件；13-第二万向节；14-四自由度双平面定位机构；15-X光光源；16-C型臂；17-X光成像装置；18-计算机；19-骨科机器人导航装置；20-导针；21-患肢；22-管状直杆；23-伸缩管体；24-导向套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

图1为本发明骨科机器人导航装置的优选实施例的结构示意图，该装置包括从上到下包括依次相连的四自由度双平面定位机构14、水平调整组件5、高度调整组件6和机座7，四自由度双平面定位机构14包括第一串联机械臂、第二串联机械臂和直杆型导向装置4，第一串联机械臂包括串联连接的第一水平运动组件1、第一竖直运动组件2和第一万向节3，第二串联机械臂包括串联连接的第二水平运动组件11、第二竖直运动组件12和第二万向节13，第一水平运动组件1和第二水平运动组件11均与水平调整组件5相连，第一水平运动组件1上设置有导轨(也可以通过丝杆螺母作为驱动部件)，可以在第一水平运动组件1上设置传感器或者显示标尺刻度等作为位移检测装置，第一竖直运动组件2可在第一水平运动组件1上水平滑动，从而带动第一万向节3做水平运动，第一竖直运动组件2上也设置有导轨(也可以通过丝杆螺母作为驱动部件)并设置位移检测装置，第一万向节3可在第一竖直运动组件2上竖直滑动，故第一万向节3能够在第一水平运动组件1和第一竖直运动组件2所构成的竖直平面中实现两个自由度的运动；同理，第二水平运动组件11上设置有导轨并设置位移检测装置，第二竖直运动组件12可在第二水平运动组件11上水平滑动，从而带动第二万向节13做水平运动，第二竖直运动组件12上也设置有导轨并设置位移检测装置，第二万向节13可在第二竖直运动组件12上竖直滑动，故第二万向节13能够在第二水平运动组件11和第二竖直运动组件12所构成的竖直平面中实现两个自由度的运动；而且第一万向节3和第二万向节13在各自的平面上作相对独立的运动。当第一万向节3和第二万向节13分别运动到各自的目标点几何位置时，接入直杆型导向装置4，即直杆型导向装置4分别与第一万向节3和第二万向节13卡接，以实现与第一串联机械臂和第二串联机械臂的并联，故四自由度双平面定位机构14实质为一个串并混联的结构，直杆型导向装置4位于第一万向节3中心点和第二万向节13中心点之间的定位连线上，该直杆型导向装置4卡接后实现了自身定位，能够实现自身的位置和方向上的准确定位，该直杆型导向装置最终能够实现四个自由度的运动，故直杆型导向装置4实质上是一个具有定位作用和导向作用的装置。在最常用的将导针插入到患肢中的骨科微创导航手术时，患肢被放置在手术床上，本发明的骨科机器人导航装置放置在手术床的侧面进行直杆型导向装置4的定位，将导向套筒24放入直杆型导向装置4中，直杆型导向装置4的位置和方向一旦确定，导向套筒24的位置及方向就随之精确确定，将导针插入到导向套筒24内部，同时导针的位置及方向就随之精确确定，所以医生能够将导针准确的插入到患肢内部进行手术。

图2为本发明骨科机器人导航装置中的优选直杆型导向装置的结构示意图，直杆型导向装置4包括管状直杆22，管状直杆22的两端设置均有直杆状且沿杆长方向伸缩的伸缩管体23，直杆型导向装置内套有导向套筒24，导向套筒24内套有导针20。也可以将导向套筒24直接与第一万向节3和第二万向节13卡接，此时导向套筒24即为直杆型导向装置。此外，该骨科机器人导航装置由于能够实现手术路径在空间上的准确的固定，故还可以实现如坏骨头的病兆探测手术等骨科微创手术。

优选地，可将机座7设置在一个机座框架8上，并在机座框架8的四周设置脚轮9，这样方便对整个骨科机器人导航装置的推移，能够将该装置灵活的推到手术床边，此外还可以在机座框架8的底部设置机座固定装置，在调整好该骨科机器人导航装置的位置后，机座固定装置能够控制脚轮9使之抬离地面，防止手术中骨科机器人导航装置的位置发生偏移。高度调整组件6能够实现四自由度双平面定位机构14在高度方向的大幅度调整，水平调整组件5能够实现四自由度双平面定位机构14在水平方向的大幅度调整，使骨科机器人导航装置被调整到最佳的摆放位置，相当于根据在手术床上的患肢所处于的高度和位置对直杆型导向装置4作了相应调整，无需移动机座，使得手术更加方便。此外，还可以在该装置上设置一个控制面板10，并在控制面板10上设置能够控制第一水平运动组件1、第一竖直运动组件2、第二水平运动组件11、第二竖直运动组件12、高度调整组件6和水平调整组件5运动的控制按钮。在手术前，可以在第一串联机械臂和第二串联机械臂的外部盖上消毒套，再将直杆型导向装置4分别与第一万向节3和第一万向节13卡接，这样能够通过消毒套实现除直杆型导向装置4之外的整个装置与手术空间的完全隔离，防止骨科机器人导航装置对手术空间的污染，使得手术空间达到手术要求的无菌标准。

图3为本发明的定位系统的结构示意图，该系统包括图1所示的骨科机器人导航装置19，还包括C型臂16、计算机18及储存在计算机18内的图像控制操作软件，骨科机器人导航装置19放置在患肢21的侧面，其中，C型臂16包括X光光源15和X光成像装置17，X光光源15从两个角度照射患肢21，并在X光成像装置17上形成图像，将该图像采集后经过视频数据线传输至计算机18内，经计算机18内的图像控制操作软件建立二维坐标体系并基于双目视觉原理进行计算处理最终确定手术路径，即确定需插入的导针的轴线位置坐标并作为目标点几何位置，可以在图像控制操作软件中设置运行按钮，点击该运行按钮后能够控制骨科机器人导航装置19中的四自由度双平面定位机构14运动，进一步讲，通过第一万向节3和第二万向节13分别运动到目标点几何位置，然后将直杆型导向装置4卡接到第一万向节3和第二万向节13中，将导向套筒放入直杆型导向装置4中，再将导针20插入该导向套筒的内部，最终将导针20插入到患肢21内完成手术。也可以设置计算机18内的图像控制操作软件与骨科机器人导航装置19中的控制面板10上的控制按钮相连，该控制按钮用来控制第一水平运动组件1、第一竖直运动组件2、第二水平运动组件11、第二竖直运动组件12、高度调整组件6和水平调整组件5运动，通过按动控制按钮使得骨科机器人导航装置19中的第一万向节3和第二万向节13分别运动到目标点几何位置。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种骨科机器人导航装置，其特征在于，包括机座，以及设置于机座上方并与机座相连的四自由度双平面定位机构，所述四自由度双平面定位机构包括第一串联机械臂、第二串联机械臂和直杆型导向装置，所述第一串联机械臂包括串联连接的第一水平运动组件、第一竖直运动组件和第一万向节，所述第二串联机械臂包括串联连接的第二水平运动组件、第二竖直运动组件和第二万向节，所述第一水平运动组件和第二水平运动组件均与机座相连，所述第一水平运动组件与第一竖直运动组件之间、第一竖直运动组件与第一万向节之间、第二水平运动组件与第二竖直运动组件之间以及第二竖直运动组件与第二万向节之间均通过导轨相连，所述直杆型导向装置分别与第一万向节和第二万向节卡接以实现直杆型导向装置自身的定位。

2.根据权利要求1所述的骨科机器人导航装置，其特征在于，所述直杆型导向装置包括管状直杆。

3.根据权利要求2所述的骨科机器人导航装置，其特征在于，所述管状直杆的至少一端设置有直杆状且沿杆长方向伸缩的伸缩管体。

4.根据权利要求1至3之一所述的骨科机器人导航装置，其特征在于，所述四自由度双平面定位机构与机座之间还设置有高度调整组件，所述第一水平运动组件和第二水平运动组件均与高度调整组件相连。

5.根据权利要求4所述的骨科机器人导航装置，其特征在于，所述四自由度双平面定位机构与高度调整组件之间还设置有水平调整组件，所述第一水平运动组件和第二水平运动组件均与水平调整组件相连。

6.根据权利要求1至3之一所述的骨科机器人导航装置，其特征在于，所述直杆型导向装置与第一万向节和第二万向节之间均隔有消毒套，所述消毒套覆盖于第一串联机械臂和第二串联机械臂的外部。

7.根据权利要求1至3之一所述的骨科机器人导航装置，其特征在于，所述机座上设置有脚轮和机座固定装置。

8.根据权利要求5所述的骨科机器人导航装置，其特征在于，还包括控制面板，所述控制面板上设置有控制第一水平运动组件、第一竖直运动组件、第二水平运动组件、第二竖直运动组件、高度调整组件和水平调整组件运动的控制按钮。

9.一种定位系统，包括C型臂、计算机及储存在计算机内的图像控制操作软件，其特征在于，还包括权利要求1至7之一所述的骨科机器人导航装置。

10.根据权利要求9所述的定位系统，其特征在于，所述骨科机器人导航装置上设置有控制面板，所述控制面板上设置有控制第一水平运动组件、第一竖直运动组件、第二水平运动组件和第二竖直运动组件运动的控制按钮，所述控制按钮与计算机内的图像控制操作软件相连。

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