CN103919611A - 一种骨科机器人导航定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种骨科机器人导航定位装置，设置由定位平台、X方向定位装置、Y方向定位装置、Z方向定位装置、直杆型导向装置组成的三自由度双平面定位机构和水平调整组件、高度调整组件、控制面板；通过设置高度调整组件和水平调整组件，使得三自由度双平面定位机构从整体上实现高度和水平方向的调整，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。本发明的机械臂具有三个自由度，能够全方位捕捉导航工具的位置信息，安全可靠，导航工具反射红外线，实现被动式红外光学定位，操作简单，定位系统的图像处理模块可以根据具有红外采集功能的摄像头采集到的红外数据转换为三维坐标系内的数据点，提高了定位的精确性。

Description

一种骨科机器人导航定位装置

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种骨科机器人导航定位装置。

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χ光下完成，在手术过程中辐射出的大量χ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。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种骨科机器人导航定位装置，旨在提高骨科手术的精度，并尽可能减少患者和医生受到的X射线辐射。

本发明实施例是这样实现的，一种骨科机器人导航定位装置，该骨科机器人导航定位装置包括：三自由度双平面定位机构、定位平台、X方向定位装置、Y方向定位装置、Z方向定位装置、直杆型导向装置、水平调整组件、高度调整组件、控制面板、机座、机座框架、万向轮、X光光源、C型臂、X光成像装置、计算机、骨科机器人导航装置、导针、患肢、打印机、UPS电源、管状直杆、伸缩管体、导向套筒；

定位平台、X方向定位装置、Y方向定位装置、Z方向定位装置和直杆型导向装置设置在三自由度双平面定位机构内部，水平调整组件、高度调整组件和控制面板连接定位平台，机座连接高度调整组件，机座设置在机座框架上，万向轮设置在机座的底部，导针设置在骨科机器人导航装置上，骨科机器人导航装置连接计算机，计算机连接X光成像装置、打印机和UPS电源，X光成像装置通过C型臂连接X光光源，患肢设置在骨科机器人导航装置的左侧，导针设置在导向套筒的内部，伸缩管体设置在导向套筒的外侧，管状直杆设置在伸缩管体的外侧。

进一步，X方向定位装置、Y方向定位装置、Z方向定位装置上设置有导轨或通过丝杆螺母作为驱动部件。

进一步，在X方向定位装置、Y方向定位装置、Z方向定位装置上设置传感器或者显示标尺刻度作为位移检测装置。

进一步，X方向定位装置、Y方向定位装置、Z方向定位装置在X、Y、Z三个方向自由度上滑动。

进一步，设置四个万向轮。

进一步，该骨科机器人导航定位装置还包括：显示器、支架、红外光学定位器、导航工具、机械臂；

支架上设置有机械臂，红外光学定位器安装在机械臂上，红外光学定位器与计算机相连接，计算机与显示器相连接，导航工具连接计算机。

进一步，导航工具包括导航笔和安装在导航笔端部的三个红外反射球。

进一步，机械臂具有三个自由度。

进一步，所述的红外光学定位器包括：红外发射和采集模块、红外信号处理电路、微处理器模块、无线收发模块、供电模块；所述红外发射和采集模块包括不少于一个红外发射器和三个具有红外采集功能的摄像头；

所述的红外信号处理电路连接在红外发射和采集模块上面，所述的微处理器模块连接在红外信号处理电路的后面，通过微处理器模块接收由红外信号处理电路处理过的三维的红外数据信号，然后微处理器模块进行进一步的处理，处理完成之后，微处理器模块将处理完成的三维红外信号通过无线收发模块发送到局域网内的电脑主机。

进一步，所述无线收发模块采用的是WIFI模块。

进一步，供电模块为整个红外光学定位器提供必要的电源。

本发明提供的骨科机器人导航定位装置，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，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，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。

本发明通过设置高度调整组件，使得三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三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，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，使得三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三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，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。

本发明的机械臂具有三个自由度，能够全方位捕捉导航工具的位置信息，安全可靠，导航工具反射红外线，实现被动式红外光学定位，操作简单，定位系统的图像处理模块可以根据具有红外采集功能的摄像头采集到的红外数据转换为三维坐标系内的数据点，定位精确。

附图说明

图1是本发明实施例提供的骨科机器人导航定位装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的定位平台的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的直杆型导向装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的电脑主机、显示器和支架的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的红外光学定位器的结构示意图。

图中：1、三自由度双平面定位机构；2、定位平台；3、X方向定位装置；4、Y方向定位装置；5、Z方向定位装置；6、直杆型导向装置；7、水平调整组件；8、高度调整组件；9、控制面板；10、机座；11、机座框架；12、万向轮；13、X光光源；14、C型臂；15、X光成像装置；16、计算机；17、骨科机器人导航装置；18、导针；19、患肢；20、打印机；21、UPS电源；22、管状直杆；23、伸缩管体；24、导向套筒；25、显示器；26、支架；27、红外光学定位器；28、导航工具；29、机械臂；30、红外发射和采集模块；31、红外信号处理电路；32、微处理器模块；33、无线收发模块；34、供电模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的骨科机器人导航定位装置主要由三自由度双平面定位机构1、定位平台2、X方向定位装置3、Y方向定位装置4、Z方向定位装置5、直杆型导向装置6、水平调整组件7、高度调整组件8、控制面板9、机座10、机座框架11、万向轮12、X光光源13、C型臂14、X光成像装置15、计算机16、骨科机器人导航装置17、导针18、患肢19、打印机20、UPS电源21、管状直杆22、伸缩管体23、导向套筒24组成；

定位平台2、X方向定位装置3、Y方向定位装置4、Z方向定位装置5和直杆型导向装置6设置在三自由度双平面定位机构1内部，水平调整组件7、高度调整组件8和控制面板9连接定位平台2，机座10连接高度调整组件8，机座10设置在机座框架11上，万向轮12设置在机座10的底部，导针18设置在骨科机器人导航装置17上，骨科机器人导航装置17连接计算机16，计算机16连接X光成像装置15、打印机20和UPS电源21，X光成像装置15通过C型臂14连接X光光源13，患肢19设置在骨科机器人导航装置17的左侧，导针18设置在导向套筒24的内部，伸缩管体23设置在导向套筒24的外侧，管状直杆22设置在伸缩管体23的外侧。

在本发明的实施例中：

如图1所示，三自由度双平面定位机构1设置于机座10上方并与机座10相连，三自由度双平面定位机构1包括定位平台2、X方向定位装置3、Y方向定位装置4、Z方向定位装置5和直杆型导向装置6，定位平台2与机座10相连，直杆型导向装置6与Z方向定位装置5相连来实现自身的定位。X方向定位装置3、Y方向定位装置4、Z方向定位装置5上均设置有导轨(也可以通过丝杆螺母作为驱动部件)，可以在X方向定位装置3、Y方向定位装置4、Z方向定位装置5上设置传感器或者显示标尺刻度等作为位移检测装置，X方向定位装置3、Y方向定位装置4、Z方向定位装置5可在X、Y、Z三个方向自由度上滑动，直杆型导向装置6位于Z方向定位装置5上，该直杆型导向装置6固定后实现了自身定位，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6最终能够实现自由度的运动，故直杆型导向装置6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6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6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。

如图2所示，该系统包括图1所示的骨科机器人导航装置17，还包括C型臂14、计算机16及储存在计算机16内的图像控制操作软件、打印机20和UPS电源21，骨科机器人导航装置17放置在患肢19的侧面，其中，C型臂14包括X光光源13和X光成像装置15，X光光源15从两个角度照射患肢19，并在X光成像装置15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16内，经计算机16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17中的三自由度双平面定位机构1运动，也可以由与计算机16相连接的打印机20打印出该图像，进一步讲，通过X方向定位装置、Y方向定位装置、Z方向定位装置分别运动到目标点几何位置，然后将直杆型导向装置6固定好，将导向套筒放入直杆型导向装置6中，再将导针18插入该导向套筒的内部，最终将导针18插入到患肢19内完成手术。也可以设置计算机16内的图像控制操作软件与骨科机器人导航装置17中的控制面板9上的控制按钮相连，该控制按钮用来控制X方向定位装置、Y方向定位装置、Z方向定位装置、高度调整组件和水平调整组件的运动，通过按动控制按钮使得骨科机器人导航装置17运动到目标点几何位置。

如图3所示，本发明骨科机器人导航装置中的直杆型导向装置的结构示意图，直杆型导向装置6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18。也可以将导向套筒24直接与第一万向节和第二万向节卡接，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10设置在一个机座框架11上，并在机座框架11的四周设置万向轮12，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11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万向轮12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8能够实现三自由度双平面定位机构1在高度方向的大幅度调整，水平调整组件7能够实现三自由度双平面定位机构1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6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9，并在控制面板9上设置X方向定位装置、Y方向定位装置、Z方向定位装置、高度调整组件和水平调整组件运动的控制按钮。

如图4所示，本发明实施例的骨科机器人导航定位装置包括计算机16、显示器25、支架26、红外光学定位器27、导航工具28、机械臂29；

支架26上设置有机械臂29，红外光学定位器27安装在机械臂29上，红外光学定位器27与计算机16相连接，计算机16与显示器25相连接，导航工具28包括导航笔和安装在导航笔端部的三个红外反射球。

进一步，机械臂29具有三个自由度。

如图5所示，红外光学定位器27包括：红外发射和采集模块30、红外信号处理电路31、微处理器模块32、无线收发模块33、供电模块34；所述红外发射和采集模块30至少一个红外发射器和三个具有红外采集功能的摄像头。所述的红外信号处理电路31连接在红外发射和采集模块30上面，作用是接收由红外发射和采集模块30采集到的反回的三维的红外数据信号，并把红外数据信号放大，所述的微处理器模块32连接在红外信号处理电路31的后面，通过微处理器模块32接收由红外信号处理电路31处理过的三维的红外数据信号，然后微处理器模块32进行进一步的处理，处理完成之后，微处理器模块32将处理完成的三维红外信号通过无线收发模块33发送到局域网内的电脑主机。

进一步，无线收发模块33采用的是WIFI模块，采用WIFI模块可以方便的接入计算机的局域网或者是Intenet网络，实现远距离或是远程的监控操作，这样就使得医护人员避免受到过多的X射线的影响。

进一步，供电模块34为整个红外光学定位器提供必要的电源。

一种骨科机器人定位系统包括计算机16、存储在计算机16内部的图像处理模块和骨科机器人导航装置。

进一步，存储在计算机161内部的图像处理模块可以根据具有红外采集功能的摄像头采集到的红外数据转换为三维坐标系内的数据点。

本发明的机械臂具有三个自由度，能够全方位捕捉导航工具的位置信息，安全可靠，导航工具反射红外线，实现被动式红外光学定位，操作简单，定位系统的图像处理模块可以根据具有红外采集功能的摄像头采集到的红外数据转换为三维坐标系内的数据点，定位精确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种骨科机器人导航定位装置，其特征在于，该骨科机器人导航定位装置包括：三自由度双平面定位机构、定位平台、X方向定位装置、Y方向定位装置、Z方向定位装置、直杆型导向装置、水平调整组件、高度调整组件、控制面板、机座、机座框架、万向轮、X光光源、C型臂、X光成像装置、计算机、骨科机器人导航装置、导针、患肢、打印机、UPS电源、管状直杆、伸缩管体、导向套筒；

定位平台、X方向定位装置、Y方向定位装置、Z方向定位装置和直杆型导向装置设置在三自由度双平面定位机构内部，水平调整组件、高度调整组件和控制面板连接定位平台，机座连接高度调整组件，机座设置在机座框架上，万向轮设置在机座的底部，导针设置在骨科机器人导航装置上，骨科机器人导航装置连接计算机，计算机连接X光成像装置、打印机和UPS电源，X光成像装置通过C型臂连接X光光源，患肢设置在骨科机器人导航装置的左侧，导针设置在导向套筒的内部，伸缩管体设置在导向套筒的外侧，管状直杆设置在伸缩管体的外侧。

2.如权利要求1所述的骨科机器人导航定位装置，其特征在于，X方向定位装置、Y方向定位装置、Z方向定位装置上设置有导轨或通过丝杆螺母作为驱动部件。

3.如权利要求1所述的骨科机器人导航定位装置，其特征在于，在X方向定位装置、Y方向定位装置、Z方向定位装置上设置传感器或者显示标尺刻度作为位移检测装置。

4.如权利要求1所述的骨科机器人导航定位装置，其特征在于，X方向定位装置、Y方向定位装置、Z方向定位装置在X、Y、Z三个方向自由度上滑动。

5.如权利要求1所述的骨科机器人导航定位装置，其特征在于，设置四个万向轮。

6.如权利要求1所述的骨科机器人导航定位装置，其特征在于，该骨科机器人导航定位装置还包括：显示器、支架、红外光学定位器、导航工具、机械臂；

支架上设置有机械臂，红外光学定位器安装在机械臂上，红外光学定位器与计算机相连接，计算机与显示器相连接，导航工具连接计算机。

7.如权利要求6所述的骨科机器人导航定位装置，其特征在于，导航工具包括导航笔和安装在导航笔端部的三个红外反射球。

8.如权利要求6所述的骨科机器人导航定位装置，其特征在于，机械臂具有三个自由度。

9.如权利要求6所述的骨科机器人导航定位装置，其特征在于，所述的红外光学定位器包括：红外发射和采集模块、红外信号处理电路、微处理器模块、无线收发模块、供电模块；所述红外发射和采集模块包括不少于一个红外发射器和三个具有红外采集功能的摄像头；

所述的红外信号处理电路连接在红外发射和采集模块上面，所述的微处理器模块连接在红外信号处理电路的后面，通过微处理器模块接收由红外信号处理电路处理过的三维的红外数据信号，然后微处理器模块进行进一步的处理，处理完成之后，微处理器模块将处理完成的三维红外信号通过无线收发模块发送到局域网内的电脑主机。

10.如权利要求9所述的骨科机器人导航定位装置，其特征在于，所述无线收发模块采用的是WIFI模块；供电模块为整个红外光学定位器提供必要的电源。