CN103126767A

CN103126767A - 基于特定点锁定的随动式脊柱自定位导航手术机器手

Info

Publication number: CN103126767A
Application number: CN2011104171138A
Authority: CN
Inventors: 张春霖
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-27
Filing date: 2011-11-27
Publication date: 2013-06-05
Also published as: WO2013075500A1

Abstract

一种随动式脊柱自定位导航手术机器手，它包括通用部分和专用部分。通用部分由随动连接机构、姿态调节机构和控制软件及传感器、调节板等组成，专用部分分为胸腰椎、寰椎及第二至第七颈椎专用。其特征在于：该手术机器手能通过其随动机构保持与椎骨的相对静止，其自身能可靠“感知”椎骨后表面上的一些特定点，并分别从四周和上方等不同方向予以锁定，继而确定置入点和置入方向，数控引导经椎弓根置入。本发明具有以下优点：结构合理巧妙、安全高效，操作简便，能降低或避免射线暴露，减轻医生的工作强度，并可远程手术，适用于多种脊柱经椎弓根穿刺或内固定手术。

Description

基于特定点锁定的随动式脊柱自定位导航手术机器手

技术领域本发明属于一种医疗手术器械。

背景技术众所周知，椎弓根是连接人椎体与后弓的小柱状结构，经椎弓根穿刺或置入内固定目前已成为脊柱外科主要的手术方法之一，其方式多种多样，如椎体成形术、脊柱骨折内固定、脊柱滑脱内固定、脊柱侧弯矫形术等。由于椎骨隐藏于人体深部，并随呼吸上下运动，经椎弓根穿刺或置入犹如“蒙着眼睛打移动靶”，准确置入并非易事。目前用于经椎弓根置入方法可以归纳为四种：1人工置入辅以X线正侧位透视、体感诱发电位和肌电图等神经电生理以及电阻抗等方法监控置入方向。2计算机辅助导航它基于全球定位系统(GPS)原理进行引导，即将术前脊柱CT、MRI图像三维重建后获取的数据存于“虚拟世界坐标系”，术中定位器实时地再将目标椎骨和手术器械的空间位置建立在“现实世界坐标系”，然后通过这两个坐标系的匹配引导经椎弓根置入。3数字化导向模板。4手术机器人如以色列的Spineassiant(脊柱助理)、韩国的基于光学跟踪的手术机器人-SPINEBOT、德国的基于术中C臂机2D图像的手术导航系统、O臂引导的机器人手术系统等。这些方法有其各自的优势但也存在一定的不足，如有的操作繁琐费时、影像易漂移、追踪系统易受干扰、不能实时动态监测；有的需要显露范围较大，难以在经皮等微创手术条件下应用；有的受现有导航方法的限制，自身精度虽很高，但置入精度难以进一步提高等。

发明内容本发明的目的是提供一种基于新的脊柱定位导航方法，即锁定椎骨后表面特定点并能自动调整姿态、准确控制置入点和置入方向的手术机械手，从而实现数字化的经椎弓根准确置入，安全高效且操作简便。

附图说明

图1：随动式脊柱自定位导航手术机器手正视图

图2：随动式脊柱自定位导航手术机器手侧视图

图3：随动式脊柱自定位导航手术机器手正视图

图4：随动式脊柱自定位导航手术机器手寰椎专用部分正视图

图5：随动式脊柱自定位导航手术机器手颈二至颈七专用部分正视图

图6：随动式脊柱自定位导航手术机器手胸腰椎工作原理示意图

图7：随动式脊柱自定位导航手术机器手寰椎工作原理示意图

图8：随动式脊柱自定位导航手术机器手第二至七颈椎工作原理示意图

1.随动连接机构 2.姿态调节机构 3.调节板 4.锁定针机构 5.定位针机构 6.转换针机构 7.导针机构 8.连接板 9.立柱 10.弹簧 11.转轴 12.转轴座 13.锁紧座 14.位移钢丝 15.调节板的导向槽 16.调节板的导向槽 17.头尾向锁定针 18.左右向锁定针 19.锁定针导向管20.弹簧 21.指示标 22.胸腰椎专用定位针 23.骨嵴最高点 24.骨嵴下方外缘与水平线的交点 25.骨嵴最高点 26.骨嵴下方外缘与水平线的交点 27.导向柱 28.带刻度槽的导向筒 29.定位针弹簧 30.定位针指示标 31.定位针呈“-”状的尖部 32.转换针 33.转换针导向管 34.转换针位移及角度调节座 35.导针 36.导针的内导向筒 37.导针的开合式外导向筒 38.导针位移及角度调节座 39.定位针 40.定位针调节座 41.定位锁定穿刺针 42.定位锁定穿刺针调节座 43.定位针 44.定位针调节座 45.定位锁定针 46.定位锁定针调节座 47.穿刺针 48.穿刺针调节座 49.寰椎“椎弓根”置入点 50.寰椎“椎弓根”置入点 51.寰椎横突后缘线与水平线的交点 52.寰椎横突后缘线与水平线的交点 53.定位针指示标 54.定位锁定穿刺针的指示标 55.锁定针 56.锁定针的锁定片 57.锁定针弹簧 58.锁定针构成的“八”字 59.椎板后缘线直线部分与水平线的交点 60.椎板后缘线直线部分与水平线的交点 61.椎板后缘线直线部分与水平线的交点 62.椎板后缘线直线部分与水平线的交点 63.椎弓根置入点 64.椎弓根置入点

具体实施方式该手术机器手随动自定位导航的基本原理是保持机器手与椎骨相对静止，其自身能“感知”椎骨后表面上的一些特定点，并能分别从四周和上方予以可靠锁定，继而确定置入点和置入方向，数控引导经椎弓根置入。所谓特定点，是指椎骨后表面非圆周圆弧的后缘线上能起限位作用的特殊点(此椎骨后表面后缘线相当于左右椎弓根规划路径的CT剖面图椎骨后缘线)。该随动式脊柱自定位导航手术机器手通过机械臂与机器人本体相连，它包括通用和专用两部分。通用部分由由随动连接机构1、姿态调节机构2和控制软件及传感器、调节板3组成。随动连接机构1包括连接板8、立柱9、弹簧10组成。当机械手下降与椎骨后表面接触时，弹簧10被压缩，机械手即可随椎骨因呼吸产生的上下运动而运动，机械手与椎骨保持相对静止。连接板8与机械臂相连。姿态调节机构2包括转轴11、转轴座12、锁紧座13、位移钢丝14、传感器、控制软件等。位移钢丝14可将机器手下降过程中两定位针的位移量通过传感器传输至机器人的主控系统，主控系统继而通过软件控制机器人本体运动使调节板3平移并绕转轴11转动，当两定位针的长度差与特定值相等时，机器手停止运动，完成姿态调整。调节板3上有两个导向槽15，16，以便与专用部分转换连接。专用部分包括胸腰椎、寰椎及第二至第七颈椎专用三部分。胸腰椎专用部分由定位针机构5、锁定针机构4、转换针机构6、导针机构7等组成。定位针机构5有两套，包括定位针22、导向柱27、带刻度槽的导向筒28、弹簧29、指示标30等。定位针22的下端呈“-”状31，可从上方“感知”特定点23，24。锁定针机构4包括四套头尾向锁定针17、两套左右向锁定针18、导向管19、弹簧20、指示标21等。所有锁定针17，18的尖端均低于定位针22，在机器手下降、定位针22逐步锁定特定点23，24的过程中，锁定针17，18先于定位针22与椎骨后表面接触(必要时可刺入骨内)，锁定针17，18的指示标21可反映其是否“感知”骨表面及对骨表面产生压力大小的状态。由于骨表面粗糙不平，当锁定针17，18下降达一定压力触及骨面时防止定位针22滑移，保证定位针22不偏离特定点23，25及左右向锁定针18不偏离特定点24，26，即可从头尾、左右四周可靠锁定特定点23，25，24，26。转换针机构6包括转换针32、导向管33、位移及角度调节座34等。某些情况下，定位针22可能对导针35的置入构成干涉，此时可将转换针32于适当位置固定于椎骨后表面，去除定位针22以便导针35置入的操作。导针机构7为两套，由导针35、内导向筒36、开合式外导向筒37、位移及角度调节座38组成。导针35、内导向筒36、开合式外导向筒37为镂空或透X线材料制成，以便术中从椎弓根轴位(即从椎弓根的一端)透视观察导针置入过程，实时动态监测，防止导针35偏离，保证导针35置入准确及手术安全。开合式外导向筒37打开，导针35与机器手即能脱离。寰椎专用部分包括两套定位针39及调节座40、两套定位锁定穿刺针41及调节座42等，其两锁定针55由两锁定片56、弹簧57等组成。两锁定片56可以独立伸缩，其下端一个呈“/”形，另一个呈“\”，相互构成“八”字结构58，能适应寰椎后弓的“山嵴状”结构，防止定位针39向头或尾侧滑移。由于寰椎后弓呈环状，定位锁定穿刺针41位于后弓最高处即后结节两侧时，能防止定位锁定穿刺针41向左或右侧滑移。两套定位针39落于寰椎横突水平线与之的两交点51，52，通过调节板3使定位锁定穿刺针41能从上方锁定特定点49，50。第二至第七颈椎专用部分包括两套定位针43及调节座44、两套定位锁定针45及调节座46、两套穿刺针47及调节座48等。其两锁定针45也可以独立伸缩，其下端一个呈“/”形，另一个呈“\”，相互构成“八”字结构，防止定位针向头或尾侧滑移。第二至第七颈椎特定点为左右椎板后缘线直线部分与两水平线的四个交点59，60，61，62。当两套定位针43和两套定位锁定针45位于两侧椎板骨面时，由于所取左右椎板后缘线为直线部分63，这样两套位于两条水平线上的定位针43或定位锁定针45能防止定位针43向左或右侧滑移及控制机器手的旋转姿态，特定点59，60，61，62即被从四周及上方可靠锁定。下面分别以第1腰椎(L1)和第1颈椎(寰椎)手术为例，说明该机器手在胸腰椎和颈椎的操作方法与步骤。(一)胸腰椎术前在头尾向规划路径的CT剖面图上测量：(1)骨嵴的两最高点23，25距水平线的高度差；(2)两交点24，26与矢状线的垂直距离；(3)左右椎弓根置入点间距；(4)左右椎弓根规划置入角度。分别依据两交点24，26与椎骨矢状线的垂直距离设定左或右锁定针18与机器手正中面的距离；(2)左右椎弓根置入点间距设定两导针35针尖之间的距离；(3)左右椎弓根置入角度设定导针35的倾斜角度。经皮微创手术时，于脊柱正中线两侧各取一小切口，用脊柱内窥镜将骨嵴及置入点附近的骨膜或关节囊等软组织清理干净，侧位X线透视监控下使两定位针22正对椎弓根头尾向规划路径处。下降机器手，定位针22可能稍偏左或右侧进入两小切口内，定位针22的指示标30及锁定针18的指示标21上移，表示机器手已“感知”骨面，将机器手提升一定高度后，令其以一定间隔自右向左或自左向右平移、再下降、再“感知”骨面，当两定位针22的指示标30有不同程度上移时，位移钢丝14将其位移量通过传感器传输至机器人的主控系统，主控系统继而通过软件控制机器人本体运动，使机器手的调节板3平移并绕转轴11转动，当两定位针22的长度差与骨嵴的两最高点23，25距水平线的高度差相等时，机器手自动停止运动，姿态调整即完成，此时特定点(骨嵴两最高点23，25和其下方的两交点24，26)即被该机器手锁定，左右侧椎弓根置入点及置入角度也随之被确定，两导针35沿导向筒36下降即可按术前规划数值准确置入椎弓根内。在传统开放手术时，切开显露椎板及关节突后，在直视或摄像头监视下，可直接使两定位针22的尖部31正对骨嵴的两最高点23，25下降，“感知”骨面后，位移钢丝14将两定位针22的位移量通过传感器传输至机器人的主控系统，同样当两定位针22的长度差与骨嵴的两最高点23，25距水平线的高度差相等时，机器手停止运动，完成姿态调整与特定点23，25，24，26锁定及导针35的置入。某些情况下，定位针22锁定特定点23，25后可能对导针35置入构成干涉，此时可将转换针32于适当位置固定于椎骨后表面，去除定位针22以便导针35置入的操作。(二)颈椎：(1)寰椎特定点选取为两“椎弓根”置入点49，50及左右横突后缘线与水平线的两交点51，52。术前在头尾向规划路径的CT剖面图上测量：①左右“椎弓根”置入点49，50与矢状线的垂直距离及与水平线的高度差；②左右横突后缘线与水平线两交点51，52的间距；③左右“椎弓根”规划置入角度。分别依据左右“椎弓根”置入点49，50与矢状线的垂直距离设定左和右定位锁定穿刺针41与机器手正中面的距离；左右横突后缘线与水平线两交点51，52的间距设定两定位针39针尖之间的距离；左右“椎弓根”置入角度设定左右定位锁定穿刺针41的角度。(2)第二至第七颈椎特定点选取为左右椎板后缘线与上位和下位两水平线的四个交点59，60，61，62。术前在头尾向规划路径的CT剖面图上测量：①左右椎板后缘线与上位水平线两交点59，60的间距；②左右椎板后缘线与下位水平线两交点61，62的间距；③左右椎弓根置入点63，64间距；④左右椎弓根规划置入角度。手术时，于颈椎正中线取一小切口，将寰椎后弓显露后，侧位X线透视监控下使两定位锁定穿刺针41正对寰椎“椎弓根”头尾向规划路径处。下降机器手，寰椎专用的定位针39或定位锁定穿刺针41的指示标上移，表示机器手已“感知”骨面，将机器手提升一定高度后，令它以一定间隔自右向左或自左向右平移、再下降、再“感知”骨面，当两定位锁定穿刺针41的指示标有不同程度上移时，位移钢丝14将其位移量通过传感器传输至机器人的主控系统，主控系统继而通过软件控制机器人本体运动，使机器手的调节板3平移并绕转轴11转动，当两定位锁定穿刺针41的长度差与左右“椎弓根”置入点49，50和水平线的高度差相等时，机器手停止运动，姿态调整即完成，此时两定位针39的指示标和两定位锁定穿刺针41的指示标分别等高，特定点49，50，51，52即被该机器手锁定，左右侧“椎弓根”置入点49，50及置入角度也随之被确定，两定位锁定穿刺针41沿导向筒下降即可按术前规划数值准确置入“椎弓根”内。

本发明具有以下优点：结构合理巧妙、安全高效，操作简便，能降低或避免射线暴露，减轻医生的工作强度，并可远程手术，适用于多种脊柱经椎弓根穿刺或内固定手术。

Claims

1.一种随动式脊柱自定位导航手术机器手，它包括通用部分和专用部分。通用部分由随动连接机构、姿态调节机构和控制软件及传感器、调节板等组成，专用部分包括胸腰椎、寰椎及第二至第七颈椎专用。其特征在于：该手术机器手能通过其随动机构保持与椎骨相对静止，其自身能可靠“感知”椎骨后表面上的一些特定点，并能从四周和上方等不同方向将这些特定点锁定，继而确定置入点和置入方向，数控引导经椎弓根置入。

2.根据权力要求1所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于：特定点为位于椎骨后表面非圆周圆弧的后缘线上能起限位作用的特殊点。

3.根据权力要求1所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于：该手术机器手在一个椎骨进行左右椎弓根置入时，一次需同时锁定三个或以上椎骨后表面上的特定点。

4.根据权力要求1所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于：该手术机器手通过观察或采集定位针和/或锁定针长度、压力等信号的变化进行机器手人工或自动控制姿态调整及确定特定点锁定状态。

5.根据权力要求1所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于：所有的锁定针均能伸缩并分布于定位针、导针或穿刺针的四周，锁定针的尖端均低于定位针、导针或穿刺针而先与骨面接触，避免它们与特定点或置入点接触后滑移，锁定特定点并确定置入点和置入方向。

6.根据权力要求1所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于：随动连接机构包括连接板、立柱、弹簧组成。

7.根据权力要求1所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于：胸腰椎专用部分由两套或以上的定位针机构、锁定针机构、转换针机构、导针机构等组成。定位针机构包括定位针、导向柱、带刻度槽的导向筒、弹簧、指示标等。锁定针机构包括锁定针、导向管、弹簧、指示标等。转换针机构包括转换针、导向管、位移及角度调节座等。导针机构包括导针、内导向筒、开合式外导向筒、位移及角度调节座等。导针、内导向筒、开合式外导向筒为镂空或透X线材料制成。

8.根据权力要求1所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于：寰椎专用部分包括两套或以上的定位、锁定或穿刺针及调节座等，其锁定针由锁定片、弹簧等组成。各锁定片可以独立伸缩，其下端可呈尖刺或其他形状。

9.根据权力要求1所述的随动式脊柱自定位导航手术机器手，其特征在于：第二至第七颈椎专用部分包括两套或以上的定位针、锁定针、穿刺针及调节座等。各锁定针可以独立伸缩，其下端呈尖刺或其他形状。