CN102646350B - 用于虚拟手术力觉信息采集的椎体定位装置 - Google Patents

Abstract

一种用于虚拟手术力觉信息采集的椎体定位装置，包括基座、支撑台、夹紧机构、压紧机构和参考架。支撑台、夹紧机构、压紧机构和参考架分别安装在基座上，其中的支撑台、夹紧机构和压紧机构用于夹持椎体标本，参考架用于定位基座，以便光学定位系统确定所夹持椎体标本所处的空间位姿。本发明用于虚拟手术力觉信息采集的椎体定位装置配合光学定位系统使用，可实现人体胸、腰椎标本的可靠夹紧与定位，以便于采集装置对椎体进行手术操作而获取相关力觉信息。所采集的力觉信息可用于虚拟椎弓根钉植入手术系统中的力觉模型构建。

Description

用于虚拟手术力觉信息采集的椎体定位装置

技术领域

本发明涉及虚拟仿真技术，特别涉及一种用于虚拟手术力觉信息采集的椎体定位装置。

背景技术

手术虚拟仿真是虚拟现实技术在医学领域的应用，是目前数字化手术技术领域一个重要的研究方向。借助手术虚拟仿真技术，医生可制定优化手术方案；也可以不借助尸体标本而进行重复练习，从而降低外科医生手术训练费用并缩短培养周期，手术虚拟仿真技术克服了传统外科医生培训模式下医生实际动手操作机会少、操作对象（尸体标本）成本高的不足，对提高医学手术培训的质量和效率具有重要意义。

脊柱是人体最重要的器官之一。近年来人们的脊柱病变和骨折脱位发生率呈上升趋势。以椎弓根螺钉植入为基础的脊柱内固定手术具有周期短、见效快等优点，往往成为医生和患者的首选。脊柱椎弓根螺钉植入手术需要在椎体上确定理想的进钉入口，并实时监控螺钉或手术工具与椎体之间的相对位姿关系，而且，医生的可视区域有限，依靠反复获取患部的X光，不连续地获取植入物或手术工具与患骨之间的相对位姿信息，这给医生的手术操作水平提出了很高的要求。为了在短时间内以较低的成本提高医生的技术水平，有必要开发专门面向脊柱椎弓根螺钉植入的手术虚拟仿真系统。

为了达到逼真的手术虚拟仿真效果，从而根据人体椎体不同部位物理特性的不同以及打孔及植钉深度、方位、速度、加速度等参数的不同而输出不同的反馈力，力觉反馈系统是必不可少的组成部分。基本的力觉反馈系统包括力反馈装置及力觉建模。现有的力觉模型牵涉大量的复杂计算且理论性很强，而人体椎体的结构及生物力学特性非常复杂，单纯靠理论计算得出的力觉信息与手术中表现出的真实反馈力具有一定的差别，从而影响手术虚拟仿真的逼真度。与单纯的理论计算相比，通过力觉采集装置采集实际椎弓根螺钉植入术中真实的反馈力信息，并在此基础上进行建模分析和研究是一种更为直接有效的解决手段。

专利号为ZL02118522.0的中国发明专利《虚拟手术刀装置》（公告号为CN1176448C）公开了一种虚拟手术刀，申请号为200410031486.1的中国发明专利《一种手术刀的力采集装置》（公开号为CN1677064A）则公开了这种虚拟手术刀的力采集装置，申请号为200910308169.2的中国发明专利《虚拟手术力觉信息采集装置》（公开号为CN101653356A）公开了一种虚拟手术力觉信息采集装置。这三个专利均涉及人体软组织力反馈信息采集，且未考虑信息采集过程中操作对象（人体组织）的夹紧定位，到目前为止，尚无面向椎弓根钉植入虚拟手术的力觉信息采集系统，更无专门用于该系统的椎体定位装置。

发明内容

本发明的目的，就是为了解决现有技术存在的上述问题，提供一种用于虚拟手术力觉信息采集的椎体定位装置。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于虚拟手术力觉信息采集的椎体定位装置，其包括：

基座，包括一个由长条形底板和连接在长条形底板的左右两端的左立壁和右立壁组成的Ｕ形结构件；在长条形底板中部的前侧面连接有前立壁，在长条形底板上的中部后侧连接有后立壁，在后立壁内侧的下部连接有凸台；

支撑台，连接在基座的凸台上，包括支撑块和调节螺钉，调节螺钉与凸台相连，支撑块设置在调节螺钉上方并通过螺旋副与调节螺钉连接；

夹紧机构，包括两夹紧块、两导杆和传动丝杠，两夹紧块包括对称设置的左夹紧块和右夹紧块，左夹紧块设置在左立壁与凸台之间，右夹紧块设置在右立壁与凸台之间，两导杆包括对称设置的前侧导杆和后侧导杆，前侧导杆穿过两夹紧块与左立壁、右立壁相连，后侧导杆穿过两夹紧块并穿过凸台与左立壁、右立壁相连，传动丝杠穿过两夹紧块并穿过凸台与左立壁、右立壁相连，传动丝杠可带动两夹紧块作相对运动形成夹紧或放松；

压紧机构，包括压紧头和调节螺杆，调节螺杆与前立壁螺纹连接并穿过前立壁向后伸出，压紧头设置在调节螺杆的后端并与调节螺杆通过球面副活动连接；

参考架，包括J形支杆、十字形载球架和红外反射球，J形支杆连接在后立壁上方，十字形载球架连接在J形支杆的上端，红外反射球共四个分别连接在十字形载球架的四个端部。

所述的左立壁和右立壁上各设有用于安装夹紧机构中的两导杆和传动丝杠的三个左右贯通的圆孔；所述的凸台设有用于安装夹紧机构中的后侧导杆和传动丝杠的两个左右贯通的圆孔，凸台顶部设有用于安装支撑台中的调节螺钉的销孔；所述的后立壁内侧中部设有用于与支撑台中的支撑块滑动相连的竖直滑轨，后立壁内侧上部设有向前突出的齿针；所述的前立壁上部设有用于安装压紧机构中的调节螺杆的前后贯通的螺纹孔。

所述的支撑台的支撑块后侧面设有用于与后立壁内侧的竖直滑轨滑动相连的竖直滑槽，支撑块上表面为圆弧形凹面，凹面上设有向上突出的齿针；所述的支撑台的调节螺钉的中部直径扩大形成调节旋钮，调节螺钉的下部设为用于插入凸台顶部的销孔的圆柱形定位销。

所述的夹紧机构中的传动丝杠的左部设有用于与左夹紧块连接的左旋矩形螺纹，右部设有用于与右夹紧块连接的右旋矩形螺纹，传动丝杠的右端从右立壁向右伸出并设有调节手轮；所述的两夹紧块下部各设有三个左右贯通的孔，其中的前后两个孔为用于穿过两导杆的圆孔，中间孔为用于与传动丝杠螺纹连接的螺纹孔，并且左夹紧块中的螺纹孔为左旋矩形螺纹孔，右夹紧块中的螺纹孔为右旋矩形螺纹孔；所述的左夹紧块上部设有左夹紧爪，右夹紧块上部设有右夹紧爪，左夹紧爪设有向右突出的齿针，右夹紧爪设有向左突出的齿针。

所述的压紧机构中的压紧头的后侧面上设有向后突出的齿针，压紧头前部设有三个间隔设置的径向螺纹孔，三颗防脱螺钉分别从三个径向螺纹孔向内旋入并与调节螺杆的后端接触相连，调节螺杆的前端从前立壁向前伸出并设有调节手轮。

所述的J形支杆上端与十字形载球架的交叉点固连，所述的四个红外反射球分别连接在十字形载球架的四个端部的外侧面。

本发明用于虚拟手术力觉信息采集的椎体定位装置配合光学定位系统使用，可实现人体胸、腰椎标本的可靠夹紧与定位，以便于采集装置对椎体进行手术操作而获取相关力觉信息。所采集的力觉信息可用于虚拟椎弓根钉植入手术系统中的力觉模型构建。

附图说明

图1为本发明用于虚拟手术力觉信息采集的椎体定位装置的立体结构示意图；

图2为本发明中的基座的立体结构示意图；

图3为本发明中的支撑台的立体结构示意图；

图4为本发明中的夹紧机构的立体结构示意图；

图5为本发明中的压紧机构的立体结构示意图；

图6为本发明中的参考架的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

参见图1，配合参见图2、图3、图4、图5、图6，本发明用于虚拟手术力觉信息采集的椎体定位装置，包括基座1、支撑台2、夹紧机构3、压紧机构4和参考架5。图1中所示，6为椎体标本。

参见图2，本发明中的基座1包括一个由长条形底板11和连接在长条形底板11的左右两端的左立壁12和右立壁13组成的Ｕ形结构件；在长条形底板11中部的前侧面连接有前立壁14，在长条形底板11上的中部后侧连接有后立壁15，在后立壁15内侧的下部连接有凸台16。其中的左立壁12和右立壁13上各设有用于安装夹紧机构中的两导杆和传动丝杠的三个左右贯通的圆孔121、131；凸台16设有用于安装夹紧机构中的内侧导杆和传动丝杠的两个左右贯通的圆孔161，凸台顶部设有用于安装支撑台中的调节螺钉的销孔162；后立壁15内侧中部设有用于与支撑台中的支撑块滑动相连的竖直滑轨151，后立壁内侧上部设有向前突出的齿针152用于定位椎体标本，后立壁上部设有用于安装参考架5的螺纹孔153；前立壁14上部设有用于安装压紧机构中的调节螺杆的前后贯通的螺纹孔141。

参见图3，本发明中的支撑台2连接在基座1的凸台16上，包括支撑块21和调节螺钉22，调节螺钉22与凸台16相连，支撑块21设置在调节螺钉22上方并通过螺旋副与调节螺钉连接。在支撑台的支撑块21后侧面设有用于与后立壁内侧的竖直滑轨滑动相连的竖直滑槽211，支撑块上表面212为圆弧形凹面，凹面上设有向上突出的齿针213用于定位椎体标本；调节螺钉22的中部直径扩大形成调节旋钮221，调节螺钉的下部设为用于插入凸台顶部的销孔的圆柱形定位销222。

参见图4，本发明中的夹紧机构3包括两夹紧块31、32、两导杆33、34和传动丝杠35，两夹紧块包括对称设置的左夹紧块31和右夹紧块32，左夹紧块31设置在左立壁12与凸台16之间，右夹紧块32设置在右立壁13与凸台16之间，两导杆包括对称设置的前侧导杆33和后侧导杆34，前侧导杆33穿过两夹紧块31、32与左立壁12、右立壁13相连，后侧导杆34穿过两夹紧块31、32并穿过凸台16与左立壁12、右立壁13相连，传动丝杠35穿过两夹紧块31、32并穿过凸台16与左立壁12、右立壁13相连，传动丝杠35可带动两夹紧块31、32作相对运动形成夹紧或放松。在传动丝杠35的左部设有用于与左夹紧块连接的左旋矩形螺纹351，右部设有用于与右夹紧块连接的右旋矩形螺纹352，传动丝杠35的右端从右立壁13向右伸出并设有调节手轮353；两夹紧块31、32下部各设有三个左右贯通的孔，其中的前后两个孔为用于穿过两导杆的圆孔，中间孔为用于与传动丝杠螺纹连接的螺纹孔，并且左夹紧块中的螺纹孔为左旋矩形螺纹孔，右夹紧块中的螺纹孔为右旋矩形螺纹孔。左夹紧块31上部设有左夹紧爪311，右夹紧块32上部设有右夹紧爪321，左夹紧爪设有向右突出的齿针用于夹紧椎体标本，右夹紧爪设有向左突出的齿针用于夹紧椎体标本。

参见图5，本发明中的压紧机构4包括压紧头41和调节螺杆42，调节螺杆42与前立壁14螺纹连接并穿过前立壁向后伸出，压紧头42设置在调节螺杆41的后端并与调节螺杆42通过球面副活动连接。在压紧头41的后侧面上设有向后突出的齿针411用于压紧椎体标本，在压紧头41前部设有三个间隔设置的径向螺纹孔412，三颗防脱螺钉分别从三个径向螺纹孔412向内旋入并与调节螺杆42的后端接触相连，调节螺杆42的前端从前立壁14向前伸出并设有调节手轮421。

参见图6，本发明中的参考架5包括J形支杆51、十字形载球架52和红外反射球53，J形支杆51连接在后立壁15上方，十字形载球架52连接在J形支杆51的上端并与十字形载球架52的交叉点固连，红外反射球53共四个分别连接在十字形载球架52的四个端部的外侧面。参考架5用于定位基座1，以便光学定位系统确定所夹持椎体标本所处的空间位姿。

Claims (4)

1.一种用于虚拟手术力觉信息采集的椎体定位装置，其特征在于，包括：

基座，包括一个由长条形底板和连接在长条形底板的左右两端的左立壁和右立壁组成的Ｕ形结构件；在长条形底板中部的前侧面连接有前立壁，在长条形底板上的中部后侧连接有后立壁，在后立壁内侧的下部连接有凸台；

支撑台，连接在基座的凸台上，包括支撑块和调节螺钉，调节螺钉与凸台相连，支撑块设置在调节螺钉上方并通过螺旋副与调节螺钉连接；

夹紧机构，包括两夹紧块、两导杆和传动丝杠，两夹紧块包括对称设置的左夹紧块和右夹紧块，左夹紧块设置在左立壁与凸台之间，右夹紧块设置在右立壁与凸台之间，两导杆包括对称设置的前侧导杆和后侧导杆，前侧导杆穿过两夹紧块与左立壁、右立壁相连，后侧导杆穿过两夹紧块并穿过凸台与左立壁、右立壁相连，传动丝杠穿过两夹紧块并穿过凸台与左立壁、右立壁相连，传动丝杠可带动两夹紧块作相对运动形成夹紧或放松；

压紧机构，包括压紧头和调节螺杆，调节螺杆与前立壁螺纹连接并穿过前立壁向后伸出，压紧头设置在调节螺杆的后端并与调节螺杆通过球面副活动连接；

参考架，包括J形支杆、十字形载球架和红外反射球，J形支杆连接在后立壁上方，十字形载球架连接在J形支杆的上端，红外反射球共四个分别连接在十字形载球架的四个端部；

所述的夹紧机构中的传动丝杠的左部设有用于与左夹紧块连接的左旋矩形螺纹，右部设有用于与右夹紧块连接的右旋矩形螺纹，传动丝杠的右端从右立壁向右伸出并设有调节手轮；所述的两夹紧块下部各设有三个左右贯通的孔，其中的前后两个孔为用于穿过两导杆的圆孔，中间孔为用于与传动丝杠螺纹连接的螺纹孔，并且左夹紧块中的螺纹孔为左旋矩形螺纹孔，右夹紧块中的螺纹孔为右旋矩形螺纹孔；所述的左夹紧块上部设有左夹紧爪，右夹紧块上部设有右夹紧爪，左夹紧爪设有向右突出的齿针，右夹紧爪设有向左突出的齿针；

所述的压紧机构中的压紧头的后侧面上设有向后突出的齿针，压紧头前部设有三个间隔设置的径向螺纹孔，三颗防脱螺钉分别从三个径向螺纹孔向内旋入并与调节螺杆的后端接触相连，调节螺杆的前端从前立壁向前伸出并设有调节手轮。

2.如权利要求1所述的用于虚拟手术力觉信息采集的椎体定位装置，其特征在于：所述的左立壁和右立壁上各设有用于安装夹紧机构中的两导杆和传动丝杠的三个左右贯通的圆孔；所述的凸台设有用于安装夹紧机构中的后侧导杆和传动丝杠的两个左右贯通的圆孔，凸台顶部设有用于安装支撑台中的调节螺钉的销孔；所述的后立壁内侧中部设有用于与支撑台中的支撑块滑动相连的竖直滑轨，后立壁内侧上部设有向前突出的齿针；所述的前立壁上部设有用于安装压紧机构中的调节螺杆的前后贯通的螺纹孔。

3.如权利要求1所述的用于虚拟手术力觉信息采集的椎体定位装置，其特征在于：所述的支撑台的支撑块后侧面设有用于与后立壁内侧的竖直滑轨滑动相连的竖直滑槽，支撑块上表面为圆弧形凹面，凹面上设有向上突出的齿针；所述的支撑台的调节螺钉的中部直径扩大形成调节旋钮，调节螺钉的下部设为用于插入凸台顶部的销孔的圆柱形定位销。

4.如权利要求1所述的用于虚拟手术力觉信息采集的椎体定位装置，其特征在于：所述的J形支杆上端与十字形载球架的交叉点固连，所述的四个红外反射球分别连接在十字形载球架的四个端部的外侧面。

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