CN105997253A - 一种智能骨科手术系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于医疗器械领域，提供了一种智能骨科手术系统，所述系统包括交换机、手术定位装置和分别与交换机连接的手术规划和监控装置、C形臂X射线机和骨科手术机器人；所述骨科手术机器人包括机器人本体和固定在机器人本体上的机械臂、固定在机械臂上的智能骨钻、通信模块、机械臂控制模块、智能骨钻控制模块、以及手术机器人电气控制模块，所述智能骨钻包括手术电钻、套接在手术电钻的电钻头的引导机构、推进机构、双目视觉识别系统、固定在手术电钻上的压力传感器和骨钻控制器。本发明的智能骨科手术系统中的骨科手术机器人在导航基础上可以实现精确打孔功能，实现手术操作，从而提高手术的精度和稳定度，减轻医生的工作强度。

Description

一种智能骨科手术系统

技术领域

本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种智能骨科手术系统。

背景技术

随着交通运输业的不断发展，交通事故的发生也不断攀升，创伤已经成为全球的主要死因。骨科手术，种类复杂多变，虽然目前市面上已经有骨科手术机器人，但目前国内外的骨科手术机器人其只能完成对手术器械的辅助定位功能，在实际应用中并不能取代医生进行手术操作，虽然能够改善医生的劳动强度，但由于对手术的操作仍需要由医生完成，所以手术的准确性依然容易出现偏差，医生的劳动强度还是比较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能骨科手术系统，旨在解决现有技术的智能骨科手术系统的骨科手术机器人只能完成对手术器械的辅助定位功能的问题。

本发明提供了一种智能骨科手术系统，所述智能骨科手术系统包括交换机和分别与交换机连接的手术规划和监控装置、C形臂X射线机、骨科手术机器人和手术定位装置；所述骨科手术机器人包括机器人本体和固定在机器人本体上的机械臂、固定在机械臂上的智能骨钻、通信模块、分别与机械臂和通信模块电连接的机械臂控制模块、分别与智能骨钻和通信模块电连接的智能骨钻控制模块、以及与智能骨钻控制模块和机械臂控制模块电连接的手术机器人电气控制模块，所述智能骨钻包括手术电钻、套接在手术电钻的电钻头的引导机构、推进机构、双目视觉识别系统、固定在手术电钻上的压力传感器和骨钻控制器，所述手术电钻、引导机构、双目视觉识别系统和压力传感器均安装在推进机构上，骨钻控制器分别与手术电钻、推进机构、双目视觉识别系统和压力传感器电连接。

在本发明中，由于现有技术的智能骨科手术系统中的骨科手术机器人包括智能骨钻，又由于骨科手术机器人的智能骨钻包括双目视觉识别系统，骨钻控制器与双目视觉识别系统电连接。因此不仅可以让远端医生通过双目视觉识别系统观看到手术操作的实时图像，还可以通过双目视觉识别系统在手术机器人动作之前进行坐标定位用，具体为通过双目视觉识别系统识别安装在患者或者是手术床上的手术定位装置上的图标，建立基于手术定位装置的立体坐标，并将骨科手术机器人和智能骨钻的坐标统一到通过基于手术定位装置确定的立体坐标中，指引手术机器人的机器臂到达相应的坐标位置和位姿状态。因此，本发明的骨科手术机器人在导航基础上可以实现精确打孔功能，实现手术操作，从而提高手术的精度和稳定度，减轻医生的工作强度，避免诸如人的疲劳、精神压力等因素对手术的干扰。

附图说明

图1是本发明实施例提供的智能骨科手术系统的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的骨科手术机器人的分解图。

图3是本发明实施例提供的骨科手术机器人的立体图。

图4是本发明实施例提供的智能骨钻的分解图。

图5是本发明实施例提供的智能骨钻的立体图。

图6是本发明实施例提供的手术定位装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

请参阅图1，本发明实施例提供的智能骨科手术系统包括手术规划和监控装置31、C形臂X射线机32、骨科手术机器人33和手术定位装置34。其中，

手术规划和监控装置31：内置了一台图形工作站电脑的可人工移动的操作台，图形工作站电脑安装有专用的手术前规划软件和手术过程控制软件，使用者可以通过该操作台进行图形界面人机交互，实现人体骨骼三维重建、术前规划、手术机器人操控和手术中动态图像监控。

C形臂X射线机32：用于在手术中拍摄病人水平和垂直两个方向的X光片，通过数据线传输至手术规划和监控装置31，通过空间变化算法实现多个空间坐标系的匹配，精确定位患者手术部位。

手术规划和监控装置31、C形臂X射线机32和骨科手术机器人33分别与交换机35连接，使系统中各设备实现数据交互和命令的执行。其中交换机35可以是以太网交换机。

请参阅图2和图3，本发明实施例提供的骨科手术机器人包括机器人本体233和固定在机器人本体233上的机械臂232、固定在机械臂232上的智能骨钻231、通信模块235、分别与机械臂232和通信模块235电连接的机械臂控制模块239、分别与智能骨钻231和通信模块235电连接的智能骨钻控制模块236、以及与智能骨钻控制模块236和机械臂控制模块239电连接的手术机器人电气控制模块。所述机械臂232具体可以为六轴机械臂。

六轴机械臂232用于移动智能骨钻231到指定的手术位置。智能骨钻231用于对患者进行手术。机器臂控制模块239用于对六轴机械臂232进行控制。智能骨钻控制模块236对智能骨钻231进行控制。通信模块235可以是以太网交换机，以太网交换机用于把智能骨钻控制模块236和机械臂控制模块239等连接起来后与外部网络连接。手术机器人电气控制模块为整个骨科手术机器人提供电气控制。

六轴机械臂232共有六个关节轴，由六个伺服电机直接通过谐波减速器、同步带轮等驱动六个关节轴的旋转。因为六轴机械臂有六个轴，具有六个自由度，因此可以实现末端在机座关节的活动范围内以任意位姿到达任意空间位置。

六轴机械臂232的六个关节轴均采用相同的结构，采用两种不同大小的伺服电机，其中旋转轴(S轴)、下臂轴(L轴)、上臂轴(U轴)采用大伺服电机，手腕放转轴(R轴)、手腕摆动轴(B轴)和手腕回转轴(T轴)采用小伺服电机。关节轴的大小模拟人体手臂的比例大小。这样，可以方便地以任意姿态到达可达范围中的任意一个空间位置。

六轴机械臂232安装在机器人本体233的机器臂底座上。机器臂底座的末端为法兰，智能骨钻231通过法兰固定在六轴机械臂232上。智能骨钻231在六轴机械臂232到达指定位置后执行手术动作。

机器人本体233外部左右各有三色光带244一条，可以发出多种不同颜色的光，分别由机械臂控制模块239和智能骨钻控制模块236控制，指示六轴机械臂的工作状态和骨科机器人的工作状态。

机器人本体233底部装有四个滚轮241，使用时可以方便地进行移动。机器人本体233底部还装有电动脚撑242，由直流电机通过皮带轮带动脚撑的升起与降落。电动脚撑242的上下均装有限位开关240，以对电动脚撑242的运动量程进行限制。当电动脚撑242落下时，机器人本体233被固定在地上，当电动脚撑242升起后，机器人本体233可以方便地通过四个滚轮241来移动。脚撑电机243的控制由安装在机器人本体233后部移动推手237处的两个按钮控制。

机器人本体233后部下方为机器人输入电源和控制接口处，分别装有电源输入接口250、电源开关249以及与外部连接的网络接口248。

手术机器人电气控制模块包括电源输入插座、电源开关、电源滤波器、隔离变压器238、脚撑按钮246、脚撑电机控制电路、机械臂急停开关245、外接急停开关接口247等。其中隔离变压器238把整个骨科手术机器人的供电系统与市网隔离开来，增强了骨科手术机器人内部与市网的电气绝缘，增强了骨科手术机器人的电气安全性。隔离变压器安装在骨科手术机器人安装支架的底部。

机器人本体233还包括内部安装支架234。安装支架234是用于安装手术机器人其它部件的基座。

请参阅图4和图5，本发明实施例提供的骨科手术机器人的智能骨钻包括手术电钻11、套接在手术电钻11的电钻头的引导机构12、推进机构13、双目视觉识别系统14、固定在手术电钻11上的压力传感器15和骨钻控制器16。手术电钻11、引导机构12、双目视觉识别系统14和压力传感器15均安装在推进机构13上，骨钻控制器16分别与手术电钻11、推进机构13、双目视觉识别系统14和压力传感器15电连接。

手术电钻11包括电钻头111和驱动电钻头111运行的电钻电机112。骨钻控制器16与手术电钻11的电钻电机112电连接。

推进机构13包括骨钻底座131、直线导轨132、载物平台133、驱动电机134、联轴器135和滚珠丝杠136。直线导轨132和滚珠丝杠136安装在骨钻底座131上，载物平台133固定在直线导轨132上，载物平台133通过连接件与滚珠丝杠136上的螺母连接。驱动电机134安装在骨钻底座131的后端，载物平台133由驱动电机134通过联轴器135联接驱动，做前后直线往复运动。载物平台133上安装有手术电钻固定板137，手术电钻11通过压力传感器15安装在手术电钻固定板137上。这样，手术电钻11在手术中所受到的力即可通过压力传感器15接收到。通过受力变化，结合手术电钻11的推进速度，可以判断出手术电钻11的手术部位的结构密度及其变化，并通过与系统中的数据库参数进行比对推测出骨钻到达人体的哪一层(皮肤、肌肉、脂肪、骨膜、骨质、骨髓)，避免手术事故的发生，从而为手术医生提供手术依据。

手术电钻11由驱动电机134控制其行进和后退。驱动电机134采用直流无刷减速电机，由骨钻控制器16控制驱动电机134的驱动电源的频率来控制驱动电机134的转速，达到控制手术电钻11的推进或后退的速度。驱动电源的相序可以控制手术电钻是前进或后退。同时通过测量驱动电机134的转动次数，可以测量推进或后退的距离。

引导机构12是安装在骨钻底座131前端的套接在手术电钻11的电钻头的套筒，用于引导电钻头的推进，并且阻隔电钻头与患者的肌肉接触，防止患者手术周围的肌肉跟随电钻头的旋转而一起运动。

双目视觉识别系统14包括两个相机141和固定两个相机141的固定座142，两个相机141通过固定座142安装在骨钻底座131的前端下部。相机141由网线经交换机与手术系统相连。操作者和被授权人员可以通过网络实时观看两个相机141的实时图像，并可通过3D成像系统直观看到立体影像。同时，双目视觉识别系统14还可在手术机器人动作之前进行坐标定位用。由于本发明的智能骨钻具有双目视觉识别系统，因此不仅可以让远端医生通过双目视觉识别系统观看到手术操作的实时图像，还可以通过双目视觉识别系统识别安装在患者或者是手术床上的手术定位装置上的图标，建立手术定位装置的立体坐标，并将骨科手术机器人和智能骨钻的坐标统一到通过手术定位装置确定的立体坐标中，指引手术机器人的机器臂到达相应的坐标位置和位姿状态。

智能骨钻通过安装法兰17可固定在骨科手术机器人的六轴机器臂上，可以按照术前手术规划对钻入速度和深度进行精确控制，减少了人工操作带来的偏差，使得手术精度得到保证，同时减轻了医生的劳动强度。

本发明实施例提供的骨科手术机器人的智能骨钻由骨钻控制器16和PC机软件进行控制，骨钻控制器16外置于智能骨钻，骨钻控制器16通过骨钻底座131的控制接口18与智能骨钻相连。骨钻控制器16主要用于对手术电钻、11推进电钻的控制和测量，以及对压力传感器15的测量。手术电钻11的电钻电机112和驱动电机134均采用无刷直流电机并内置霍尔传感器，通过控制电机输入电源的频率可以控制电机的转速，控制电机输入电源的相序控制电机的正反转，并通过霍尔传感器测量电机的转速。骨钻控制器16通过网络接口与PC机相连。PC机通过专用软件可以方便地对智能骨钻进行控制，并可以通过网络与双目视觉识别系统相连。

请参阅图6，本发明实施例提供的手术定位装置包括相互连接的第一定位板341和第二定位板342，在本发明实施例中，第一定位板341和第二定位板342互相垂直，从而简化了建立立体坐标系的计算，当然，第一定位板341和第二定位板342也可以不互相垂直，即第一定位板341和第二定位板342之间的夹角不是90度。第一定位板341和第二定位板342是一体化结构或者通过连接件相互连接。第一定位板341和第二定位板342均采用透明的塑胶材料为基体，在基体内按照定位算法嵌有多个金属件343，金属件343可以是金属球、金属块等，第一定位板341和第二定位板342上的金属件343用于X光机在水平和垂直两个方向上的感光，可以阻挡X光线，在X光片上形成图像，用于手术定位用。

由于金属件343在手术机器人的智能骨钻的双目视觉识别系统中无法清晰识别，所以本发明实施例提供的手术定位装置的第一定位板341和第二定位板342的基体上还分别印有至少三个不在一直线上的供双目视觉识别系统识别的图标344。根据不在一直线上的至少三个图标344才能确定一个平面。其中，双目视觉识别系统由安装在智能骨钻前端下部的两个工业相机组成，工业相机由网线经以太网交换机与系统相连，操作者和被授权人员通过网络实时观看两个工业相机的实时图像，还用于在手术机器人动作之前进行坐标定位。

本发明实施例提供的手术定位装置的第一定位板341和/或第二定位板342的周边具有固定安装孔345，用于固定在手术床边或者患者身上的定位支架上。

本发明实施例提供的手术定位装置的安装方式有两种，一种是在手术床边安装定位支架，然后将手术定位装置安装在定位支架上，另一种是在患者身上固定定位支架，然后将手术定位装置安装在定位支架上。

本发明实施例提供的手术定位装置可确定一立体坐标系，由于手术定位装置包括金属件和供双目视觉识别系统识别的图标，因此能够同时被X光机和双目视觉识别系统识别，X光机可通过手术定位装置的金属件把手术部位定位到通过手术定位装置确定的立体坐标系中，同时双目视觉识别系统可以通过图标计算出手术机器人自身在通过手术定位装置确定的立体坐标系中的位置，从而将手术机器人的坐标和智能骨钻的坐标统一到通过手术定位装置确定的立体坐标系中。从而指引手术机器人到达相应的手术位置，这样更直观，精度也更高。

在本发明中，由于现有技术的智能骨科手术系统中的骨科手术机器人包括智能骨钻，又由于骨科手术机器人的智能骨钻包括双目视觉识别系统，骨钻控制器与双目视觉识别系统电连接。因此不仅可以让远端医生通过双目视觉识别系统观看到手术操作的实时图像，还可以通过双目视觉识别系统在手术机器人动作之前进行坐标定位用，具体为通过双目视觉识别系统识别安装在患者或者是手术床上的手术定位装置上的图标，建立手术定位装置的立体坐标，并将骨科手术机器人和智能骨钻的坐标统一到通过手术定位装置确定的立体坐标中，指引手术机器人的机器臂到达相应的坐标位置和位姿状态。因此，本发明的骨科手术机器人在导航基础上可以实现精确打孔功能，实现手术操作，从而提高手术的精度和稳定度，减轻医生的工作强度，避免诸如人的疲劳、精神压力等因素对手术的干扰。

本发明实施例提供的智能骨科手术系统的手术流程是：术前人工规划，术中机器人定位，手术实施过程智能监控。

骨科手术机器人，是应用计算机，把患者的影像资料如X光片、CT、核磁等进行叠加的分析处理，然后根据分析结果，控制机械臂完成一些医生不能完成或完成得没有机器好的动作和步骤。避免射线对医生身体的损伤、减轻医生的劳动强度、缩短手术时间、提高手术精度和质量、避免二次整复，并具有通用性。

本发明利用医生的经验规划出手术方案，骨科手术机器人来实施手术，这种人机结合的手术方式，对于骨科手术的历史而言，是革命性的。骨科机器人的精准加上医生的思维，对骨科手术水平的提高作用是巨大的。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

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)

1.一种智能骨科手术系统，所述智能骨科手术系统包括交换机、手术定位装置和分别与交换机连接的手术规划和监控装置、C形臂X射线机和骨科手术机器人；其特征在于，所述骨科手术机器人包括机器人本体和固定在机器人本体上的机械臂、固定在机械臂上的智能骨钻、通信模块、分别与机械臂和通信模块电连接的机械臂控制模块、分别与智能骨钻和通信模块电连接的智能骨钻控制模块、以及与智能骨钻控制模块和机械臂控制模块电连接的手术机器人电气控制模块，所述智能骨钻包括手术电钻、套接在手术电钻的电钻头的引导机构、推进机构、双目视觉识别系统、固定在手术电钻上的压力传感器和骨钻控制器，所述手术电钻、引导机构、双目视觉识别系统和压力传感器均安装在推进机构上，骨钻控制器分别与手术电钻、推进机构、双目视觉识别系统和压力传感器电连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述手术电钻包括电钻头和驱动电钻头运行的电钻电机，骨钻控制器与手术电钻的电钻电机电连接。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述推进机构包括骨钻底座、直线导轨、载物平台、驱动电机、联轴器和滚珠丝杠，直线导轨和滚珠丝杠安装在骨钻底座上，载物平台固定在直线导轨上，载物平台通过连接件与滚珠丝杠上的螺母连接，驱动电机安装在骨钻底座的后端，载物平台由驱动电机通过联轴器联接驱动。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述载物平台上安装有手术电钻固定板，手术电钻通过压力传感器安装在手术电钻固定板上。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述引导机构是安装在骨钻底座前端的套接在手术电钻的电钻头的套筒。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述双目视觉识别系统包括两个相机和固定两个相机的固定座，两个相机通过固定座安装在骨钻底座的前端下部。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械臂是六轴机械臂。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述手术定位装置包括相互连接的第一定位板和第二定位板，在第一定位板和第二定位板的基体内分别嵌有多个金属件，在第一定位板和第二定位板的基体上还分别印有至少三个不在一直线上的图标。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一定位板和第二定位板均采用透明的塑胶材料为基体。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一定位板和第二定位板是一体化结构或者通过连接件相互连接。