CN110464458B - 一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统 - Google Patents

一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统 Download PDF

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Abstract

本专利公开一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统及方法。该系统包括：通用六自由度机械臂、前交叉韧带刚度测量装置，基于空间基坐标的变换使机器人末端前交叉韧带刚度测量装置和在重建术中病人腿中的重建后的前交叉韧带实现实时的交互并侧向测量其刚度。以往这个过程是医生人为检测，具有一定的不确定性。该系统的提出简化了医生在前交叉韧带重建术中测量难度，辅助医生完成手术操作，减少人为干扰因素，并提高手术质量和加快精准医疗的实施和推广。

Description

一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统
技术领域
本发明涉及一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统及方法，用于对前交叉韧带重建术中韧带的刚度进行测量，属于辅助医疗手术技术领域。
背景技术
人体膝关节是最大的关节也是结构比较复杂的关节，且位于身体最长的两个骨骼之间，这些性状使它们特别容易受到损在运动中容易损伤，根据统计膝关节的损伤率占全身运动性损伤的比重较大。前交叉韧带是保持膝关节稳定的最重要的结构，其在解剖学上有独特的结构，近年来在进行前交叉韧带重建手术的数目逐年增长。当前重建术是目前最有效手断，并且在膝关节镜下的手术是最有效对人损伤也是最小的，但重建术中对前交叉韧带在位检测精度不高、重复性差，并且受医生主观因素过多，则会影响手术效果。如果前交叉韧带刚度过低，术后关节稳定性下降，前交叉韧带刚度过高，会照成关节活动度下降，故降低了手术质量。所以，迫切的需要一种从人-机耦合、刚柔耦合的测量系统，来提高手术质量、辅助医生工作和精准医疗的实施和推广。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的重建术中术后检测精度低、重复性低和无法准确检测的问题，而提供一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统及方法，能通过关节镜隧道对前交叉韧带进行在位智能检测。
为解决上述技术问题，本发明的构思是：
通过已有的六自由度机械臂、前交叉韧带刚度测量装置、术前MRI影像检测和在重建术中的人体膝关节构建出一个完整的系统。6自由机械臂负责前交叉韧带刚度测量装置到达指定位置，侧向钩取重建后的韧带，最终由前交叉韧带刚度测量装置负责完成测量任务，术前MRI影像检测负责采集重建后的前交叉韧带、股骨止点和胫骨止点的影像图片，通过影像图像可在PC机上测量出重建后前交叉韧带的长度、宽度和厚度，标定出前交叉韧带的测量点。最后建立起被测点和机器人末端测量装置转换坐标关系。该在位检测系统工作过程为，固定6自由度机器人并以其为坐标原点，先对重建后的膝关节进行MRI检测，建立前交叉韧带与胫骨止点之间的坐标关系，再通过胫骨止点与坐标原点建立坐标关系，从而给定末端执行器的工作位置。重建术中对前交叉韧带的检测不只是某一膝关节屈曲角度，而是在不同的屈曲角度下进行重复测量，故该方式可以保证后续测量的准确度。真实手术环境中，需要一个可以实现在位测量的传感器，将检验前交叉韧带手术效果的参数--韧带刚度量化。本文以韧带拉力反作用力信号、位移测量为研究对象，针对拉力反作用力信号测量空间受限、多维、分辨率低的测试难点，从模型搭建、材料选择、传感器数据采集等方面，对拉力、位移测试的难点进行分析研究，提出合理、有效的解决方案，研制出了在狭小工作空间内用于刚度测量的高灵敏度力传感器结构。另外不同患者重建后前交叉韧带的生物属性也是不同的，故可以根据每一位患者不同的情况来定制测量过程，以保证重建手术的质量。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统，包括：术前MRI图像、PC机、机器人和前交叉韧带刚度测量装置，其特征在于：所述前交叉韧带刚度测量装置安装在机器人末端，并且PC机、机器人和前交叉韧带刚度在位测量装置之间利用总线连接通讯；在术前对患者膝关节进行连续扫描获得MRI图像，通过对MRI图像的分析前交叉韧带在膝关节中的位置信息，将所得位置信息的输入PC机，使机器人带着前交叉韧带刚度测量装置到达测量位置，再通过前交叉韧带刚度测量装置伸入膝关节内部对重建后的前交叉韧带进行在位检测。
所述前交叉韧带刚度测量装置是一个由直线运动机构和旋转机构组成的串联测量机构。
所述的直线运动机构包括：直线伺服电机、半联轴器、带半联轴器丝杠、轴承A和均布凹槽导向螺母座。它们之间的连接关系是：直线伺服电机输出轴被半联轴器与带半联轴器丝杠夹紧，带半联轴器丝杠与均布凹槽导向螺母座配合组成丝杠螺母机构，伺服电机的转动带动丝杠运动，从而带动医用探钩的直线运动。
所述旋转机构包括：伺服导向电机仓端盖、均布凹槽导向电机仓、联轴器、轴承座、医用探钩、探钩联轴器上分体、探钩联轴器下分体、轴承B、探钩后端固定座和旋转伺服电机。伺服电机的轴与探钩后端固定座通过联轴器相连，探钩与探钩后端固定座通过探钩联轴器下和探钩联轴器上连接。通过伺服电机的转动带动探钩的旋转来实现转动的自由度。
所述力测量机构包括：均布凹槽导向螺母座、拉压传感器、导向电机仓端盖、均布凹槽导向电机仓、联轴器、医用探钩和探钩后端固定座。它们之间的连接关系为，拉压传感器前端与伺服导向电机仓端盖相连，后端与均布凹槽导向螺母座前端相连。力测量机构位于直线运动机构和旋转机构之间。
它们之间的连接关系为，拉压传感器前端与导向电机仓端盖相连，后端与均布凹槽导向螺母座前端相连。力测量机构位于直线运动机构和旋转机构之间。通过直线运动机构进入膝关节测量，旋转机构提供一个冗余的自用便于空间操作。该装置既可以对前交叉韧带侧向进行拉力也可以进行压力检测，并且实时反馈在 PC机上，系统采用固高(googol)控制器，通过分布式EtherCAT网线与2轴自由度控制电机驱动器相连，控制器通过以太网与上位机相连，伺服电机里面编码器反馈信号给驱动器。
前交叉韧带测量装置中均布凹槽导向电机仓把电机安装在空腔内为整个前交叉韧带刚度测量装置节省空间，还减少了整个机构的径向负载，并且减少了其中一个拉压传感器测量误差。其中均布120°导向槽与外壳凸缘配合提供良好的导向作用和前交叉韧带测量装置运行时的稳定。
所述术前MRI图像，在术前对患者损伤进行每个实体扫描获得图像存储得到MRI图像。在PC机将上述MRI图像进行处理，MRI资料导入医学影像重建软件Mimics 14.0中，对膝关节的中的胫骨、股骨、前交叉韧带进行三维重建,并进行修整，加工处理，并分析计算处前交叉韧带的位置。机器人测量时提供的6 个自由度，机器人的末端携带前交叉韧带刚度测量装置到达空间指定位置点，并保证测量空间位置绝对精确。并通过分布式EtherCAT网线与机器人、前交叉韧带刚度测量装置相连，实现对机器人、前交叉韧带刚度测量装置的实时控制。所述的一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统与方法，控制系统由压力传感器以及相应的控制电路和程序组成。
一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量方法，采用上述的一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统进行测量，其特征在于操作步骤如下：
1)术前通过扫描患者膝关节，并按照DICOM标准存储的膝关节MRI断层影像数据在电脑上通过软件输入口导入医学图像处理软件，经对不同组织的灰度信息进行处理，设置合适的阈值；根据MRI扫描的层厚对每层图像用手工进行边缘性分割、选择性编辑、补洞处理，去除伪影和冗繁数据，根据图像预估重建韧带的长度、宽度和厚度；
所述操作步骤1)，每个实体扫描分别获得冠状位、矢状位和额状位图像，在PC机上将图像存储得到MRI资料；将扫描的膝关节的MRI资料导入医学影像重建软件，对患者膝关节的中的胫骨、股骨、前交叉韧带进行测量,并进行以下操作：
(1-1)分别在冠状位、矢状位、额状位图，测量得到胫骨、股骨间隙在其面上的投影尺寸，在投影面上标记出需要重建前交叉韧带长度a、宽度b、厚度c；
(1-2)由上述长度a、宽度b、厚度c，可以计算出需要重建的前交叉韧带的长度估算，计算公式如下：
Figure BDA0002127576850000031
式中P代表需要重建的前交叉韧带估算长度，长度a、宽度b、厚度c都为在矢状位、冠状位、额状位图投影长度。
2)测量出胫骨止点的形状中心，从胫骨止点的形状中心到韧带中心建立坐标转换关系，计算出前交叉韧带几何中心，选取前交叉韧带中心为测量范围；
所述操作步骤2)，测量出胫骨止点的形状中心，从胫骨止点的形状中心到韧带中心建立坐标转换关系，并进行以下操作：
(2-1)在胫骨截面的几何中心建立坐标系1(X1-Y1-Z1)，在股骨截面建立坐标 2坐标系2(X2-Y2-Z2)，并且以坐标系1(X1-Y1-Z1)为变换的起始坐标系；
(2-2)该步骤需要定义坐标系的自身的旋转通过欧拉角来定义坐标系的自身的姿态，计算如下：
Figure BDA0002127576850000041
式中C代表三角函数Cos，S代表三角函数Sin，α、β、γ分别对应Z、 Y、X轴的转角。RZ,RY,RX分别为Z、Y、X轴所对应的旋转矩阵。
(2-3)坐标系1(X1-Y1-Z1)转换到坐标系2(X2-Y2-Z2)的旋转矩阵，计算如下：
Figure BDA0002127576850000042
坐标系1(X1-Y1-Z1)转换到坐标系2(X2-Y2-Z2)的齐次矩阵，计算如下：
Figure BDA0002127576850000043
式中
Figure BDA0002127576850000044
表示坐标系1(X1-Y1-Z1)转换到坐标系2(X2-Y2-Z2)变换矩阵，
Figure BDA0002127576850000045
表示坐标系旋转的变换矩阵，
Figure BDA0002127576850000046
表示坐标系2的原点。
(2-4)则可得前交叉韧带中点坐标为
Figure BDA0002127576850000047
3)通过在PC机上输入坐标，指导机器人(22)的末端携带前交叉韧带刚度测量装置(23)到达空间指定位置点，并保证测量空间位置绝对精确；
4)通过前交叉韧带刚度测量装置(23)来对重建后的前交叉韧带进行刚度的测量，并在PC机(21)上实时显示。
所述操作步骤3)和步骤4)，具体操作步骤如下：
(3-1)以机器人(22)的底座中心为机器人坐标的原点；
(3-2)将获得前交叉韧带中点坐标
Figure BDA0002127576850000051
输入PC机(21)，计算出机器人(22)需要到达的空间位置坐标G，计算如下：
Figure BDA0002127576850000052
式中A,B,C是以机器人为原始坐标系，A,B从机器人原始坐标系原点到坐标系1原点的投影在X-Y平面的长度，C为Z轴的长度。
(3-3)由PC机(21)发送给机器人(22)，使机器人(22)的末端携带前交叉韧带刚度测量装置(23)到达空间指定位置点G；
(3-4)前交叉韧带刚度测量装置(23)通过自身两个自由度运动，对重建后的前交叉韧带进行在位的测量，测量数据在PC机(21)上实时显示。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
本结合术前规划的前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统的优点在于：(1)提出了一种基于空间坐标变换的寻找最终测量点的方法，把前脚交叉韧带的柔性体与骨骼、机器人、测量装置等刚体进行关联该方法计算简单；(2)不同病人膝关节结构不同，通过术前虚拟建模适用于不同病人的膝关节结构(3)前交叉韧带刚度测量装置结构紧凑、重量轻，并同时拥有双自由度独立控制，可以实时检测力传感器反馈的信息，且适用于膝关节镜的狭小通道；(4)测量装置末端提供冗余的旋转自由度便于操作；(5)整套测量系统拥有良好的重复测量精度，能有效提高手术准确性和安全性。
附图说明：
图1是本发明的一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统结构图。
图2是一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量方法流程图。
图3是术中在位对前交叉韧带测量示意图。
图4是术前前交叉韧带进行空间测量示意图。
图5是本发明的前交叉韧带重建术中韧带刚度在位测量装置的整体结构图 (其中(a)图为斜视图,(b)图为正视图，(c)图为纵剖视图)
图6是是本发明的前交叉韧带重建术中韧带刚度的在位测量装置直线运动机构的结构图。
图7是本发明的前交叉韧带重建术中韧带刚度的在位测量装置旋转与测力装置结构图。
图8是图7中的均布凹槽导向螺母座8的结构图(其中(a)图为左视图，(b)图为斜视图)。
其中标号为弧形手持端1、导向外壳上分体2、导向外壳下分体3、直线伺服电机4、半联轴器5、带半联轴器丝杠6、轴承A7、均布凹槽导向螺母座8、拉压传感器9、导向电机仓端盖10、均布凹槽导向电机仓11、联轴器12、医用探钩13、轴承座14、探钩联轴器上分体15、探钩联轴器下分体16、轴承 B17、探钩后端固定座18和旋转伺服电机19。
具体实施方式：
本发明的优选实例实施结合附图说明如下：
实施例一：参见图1，图3～图8，本前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统，包括：术前MRI图像、PC机、机器人、前交叉韧带刚度测量装置和膝关节，所述前交叉韧带刚度测量装置安装在机器人末端，并且PC 机、机器人和前交叉韧带刚度在位测量装置之间利用总线连接通讯；在术前对患者膝关节进行连续扫描获得MRI图像，通过对MRI图像的分析前交叉韧带在膝关节中的位置信息，将所得位置信息的输入PC机，使机器人带着前交叉韧带刚度测量装置到达测量位置，再通过前交叉韧带刚度测量装置伸入膝关节内部对重建后的前交叉韧带进行在位检测。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
1)本前交叉韧带刚度测量装置是一个由直线运动机构、力测量机构和旋转机构依次连接组成的串联测量机构。其中包含了弧形手持端、导向外壳上分体、导向外壳下分体、壳体内部包含直线伺服电机、半联轴器、带半联轴器丝杠、轴承A、均布凹槽导向螺母座、拉压传感器、导向电机仓端盖、导向电机仓、联轴器、医用探钩、轴承座、探钩联轴器上分体、探钩联轴器下分体、轴承B、探钩后端固定座和旋转伺服电机。所述，测量机构位于直线运动机构和旋转机构之间。通过直线运动组件进入膝关节测量，旋转组件提供一个冗余的自用便于空间操作。该装置既可以对前交叉韧带侧向进行拉力也可以进行压力检测，并且实时反馈到PC机。
所述直线运动机构包括：直线伺服电机、半联轴器、带半联轴器丝杠、轴承A和均布凹槽导向螺母座。它们之间的装配关系是：直线伺服电机输出轴被半联轴器和带半联轴器丝杠夹紧、带半联轴器丝杠与均布凹槽导向螺母座配合组成丝杠螺母机构，直线伺服电机的输出轴的旋转运动转化为带半联轴器丝杠的直线运动运动，使串联的力测量机构和旋转机构一起进行直线运动，从而带动末端的医用探钩的直线运动。
所述旋转机构包括：导向电机仓端盖、均布凹槽导向电机仓，联轴器、轴承座、医用探钩、探钩联轴器上分体、探钩联轴器下分体、轴承B、探钩后端固定座和旋转伺服电机。旋转伺服电机的输出轴通过联轴器连接在探钩后端固定座的后端，医用探钩通过探钩联轴器上分体和探钩联轴器下分体连接探钩后端固定座的前端。通过旋转伺服电机的输出轴的转动带动探钩后端固定座从而使医用探钩实现旋转的自由度。
所述力测量机构包括：均布凹槽导向螺母座、拉压传感器、导向电机仓端盖和均布凹槽导向电机仓；它们之间的连接关系为，拉压传感器前端与导向电机仓端盖的后端相连，拉压传感器后端与均布凹槽导向螺母座前端相连，力测量机构位于直线运动机构和旋转机构之间，使拉压传感器即可测量拉力也可测量压力，测量精度也得到保证，以避免了走线带来的不便。
2)所述术前MRI图像是在术前对患者损伤进行每个实体扫描获得图像存储得到MRI图像。在PC机将上述MRI图像进行处理，MRI资料导入医学影像重建软件中，对膝关节的中的胫骨、股骨、前交叉韧带进行三维重建,并进行修整、处理，并分析计算处前交叉韧带的位置；PC机通过分布式EtherCAT网线与机器人、前交叉韧带刚度测量装置相连，实现对机器人、前交叉韧带刚度测量装置的实时控制。其中机器人测量时提供的6个自由度运动，机器人的末端携带前交叉韧带刚度测量装置到达空间指定位置点，并保证测量空间位置绝对精确。
3)本前交叉韧带测量装置中均布凹槽导向电机仓把电机安装在空腔内为整个前交叉韧带刚度测量装置节省空间，还减少了整个机构的径向负载，并且减少了其中一个拉压传感器测量误差。其中均布120°导向槽与外壳凸缘配合提供良好的导向作用和前交叉韧带测量装置运行时的稳定。
实施例三：本前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统进行测量系统与方法，其具体操作步骤如下：
1)术前通过扫描患者膝关节，并按照DICOM标准存储的膝关节MRI断层影像数据在电脑上通过软件输入口导入医学图像处理软件，根据图像预估重建韧带的长度、宽度和厚度；
请参见图1，一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统，包括：术前MRI图像20、PC机21、机器人22、前交叉韧带刚度测量装置23、膝关节 24，其特征在于：所述前交叉韧带刚度测量装置23安装在机器人22末端，并且 PC机21、机器人22和前交叉韧带刚度在位测量装置23之间利用总线连接通讯；在术前对患者损伤膝关节进行实体扫描分别获得50层冠状位、50层矢状位、 50层额状位图像，层厚1mm，在PC机21上将图像以DICOM格式存储得到 MRI图像20。在PC机将上述MRI图像20进行处理，导入医学影像重建软件 Mimics14.0中，对膝关节24的中的胫骨、股骨、前交叉韧带进行三维重建,并进行修整，加工处理，并分析计算处前交叉韧带的位置。机器人22测量时提供的 6个自由度，机器人的末端携带前交叉韧带刚度测量装置到达空间指定位置点，并保证测量空间位置绝对精确。并通过分布式EtherCAT网线与机器人22、前交叉韧带刚度测量装置23相连，实现对机器人22、前交叉韧带刚度测量装置23的实时控制。在本发明中，机器人22选用丹麦生产的UR5机器人。
请参见图2所示，该流程图中清楚的描述了系统的使用的流程。首先，在术前对MRI数据进行逆向建模，在逆向建模软件中寻找前交叉韧带的空间测量点，选择前交叉韧带中点区域，且误差不超过±2mm为在PC机中处理空间坐标转化奠定基础，通过PC机上计算的空间坐标点输入到机器人的控制器中，使机器人带动末端测量装置达到空间测量点，在前交叉韧带刚度测量装置的操作界面，进行测量操作。
2)测量出胫骨止点的形状中心，从胫骨止点的形状中心到韧带中心建立坐标转换关系，计算出前交叉韧带几何中心，选取前交叉韧带中心为测量范围；
请参见图3，坐标系1建立的在胫骨止面ACL足状区的止点区域上，坐标系2建立在股骨止面与ACL的起点区域上。由于胫骨和股骨是一个刚体，从机械臂坐标系统参考过来可以把这两个骨头看成一个连杆，可以把P向量看成前交叉韧带(ACL)在膝关节这个坐标系统内的空间位置。坐标系1转换到坐标系2利用坐标转换的齐次矩阵
Figure BDA0002127576850000081
在T中由旋转矩阵
Figure BDA0002127576850000082
和平移向量构成，通过坐标之间的相互转换和运动平台运动的姿态，可以判断出坐标系最终的位置。
每个实体扫描分别获得冠状位、矢状位、额状位图像，在PC机上将资料存储得到MRI图像；将扫描的膝关节的MRI图像导入医学影像重建软件，对患者膝关节的中的胫骨、股骨、前交叉韧带进行测量,并进行以下操作：
(1-1)分别在冠状位、矢状位、额状位图，测量得到胫骨、股骨间隙在其面上的投影尺寸，在投影面上标记出需要重建前交叉韧带长度a、宽度b、厚度 c；
(1-2)由上述长度a、宽度b、厚度c，可以计算出需要重建的前交叉韧带的长度估算，计算公式如下：
Figure BDA0002127576850000083
式中P代表需要重建的前交叉韧带估算长度，长度a、宽度b、厚度c都为在矢状位、冠状位、额状位图投影长度。由MRI图像可测的前交叉韧带长度 a、宽度b、厚度c分别为a＝30.3mm,b＝5.463mm,c＝3.359mm,则估测前交叉韧带重建长度P＝30.97mm。
根据操作步骤2)，测量出胫骨止点的形状中心，从胫骨止点的形状中心到韧带中心建立坐标转换关系，并进行以下操作：：
(2-1)在胫骨截面的几何中心建立坐标系1(X1-Y1-Z1)，在股骨截面建立坐标2坐标系2(X2-Y2-Z2)，并且以坐标系1(X1-Y1-Z1)为变换的起始坐标系；
(2-2)该步骤需要定义坐标系的自身的旋转通过欧拉角来定义坐标系的自身的姿态，计算如下:
Figure BDA0002127576850000091
式中C代表三角函数Cos，S代表三角函数Sin，α、β、γ分别对应Z、 Y、X轴的转角。RZ,RY,RX分别为Z、Y、X轴所对应的旋转矩阵。其中α、β、γ，分别为0°、0°、90°。
(2-3)坐标系1(X1-Y1-Z1)转换到坐标系2(X2-Y2-Z2)的旋转矩阵，计算如下：
Figure BDA0002127576850000092
坐标系1(X1-Y1-Z1)转换到坐标系2(X2-Y2-Z2)的齐次矩阵，计算如下：
Figure BDA0002127576850000093
式中
Figure BDA0002127576850000094
表示坐标系1(X1-Y1-Z1)转换到坐标系2(X2-Y2-Z2)变换矩阵，
Figure BDA0002127576850000095
表示坐标系旋转的变换矩阵，
Figure BDA0002127576850000096
表示坐标系2的原点。
(2-4)则可得前交叉韧带中点坐标为(-2.7315,-15.15,1.6759)。
3)通过在PC机21上输入坐标，指导机器人22的末端携带前交叉韧带刚度测量装置23到达空间指定位置点，并保证测量空间位置绝对精确。
请参见图4所示，该图表述了机器人与前交叉韧带刚度测量装置在术中测量时的状态情况，其中包含定位机器人22，前交叉韧带刚度测量装置23，术中重建后待测膝关节24，机器人22和前交叉韧带刚度测量装置23组成测量系统对术中重建后待测膝关节24进行在位多次测量。并且进行如下步骤：
(3-1)以机器人22的底座中心为机器人坐标的原点(0，0，0)；
(3-2)将获得前交叉韧带中点坐标
Figure BDA0002127576850000097
输入PC机21，计算出机器人需要到达的空间位置坐标G，计算如下：
Figure BDA0002127576850000101
式中A,B,C是以机器人为原始坐标系，A,B从机器人原始坐标系原点到坐标系1原点的投影在X-Y平面的长度，C为高度在相差在Z轴的投影长度。其中参数A，B，C可依据实际情况进行测量，个性化定制，在此不给出具体数值。
(3-3)由PC机21发送给机器人22，使机器人22的末端携带前交叉韧带刚度测量装置(4)到达空间指定位置点G。
(3-4)通过前交叉韧带刚度测量装置23对重建后的前交叉韧带进行刚度的测量，并在PC机21上实时显示。
将所得位置信息的输入PC机21，使机器人带着前交叉韧带刚度测量装置 23到达测量位置，再通过前交叉韧带刚度测量装置23伸入膝关节内部对重建后的前交叉韧带进行在位检测。
请参见图5所示，本发明的一种前交叉韧带重建术中韧带刚度在位机器人测量系统的前交叉韧带测量装置结构图，其中包含了弧形手持端1、导向外壳上2、导向外壳下3、壳体内部包含直线伺服电机4、半联轴器5、带半联轴器丝杠 6、轴承A7、均布凹槽导向螺母座8、拉压传感器9、导向电机仓端盖10、导向电机仓11、联轴器12、医用探钩13、轴承座14、探钩联轴器下15、探钩联轴器上16、轴承B17、探钩后端固定座18和旋转伺服电机19。前交叉韧带刚度测量装置是一个由直线运动机构、力测量机构和旋转机构依次组成的串联测量机构其中直线伺服电机选用MAXON-RE13电机和旋转伺服电机选用 MAXON-RE13a电机，拉压传感器9选择瑞尔特-T-302,灵敏度1.0± 20％mV/V。轴承A选用NSK-B686ZZ,轴承B选用NSK-B686ZZS,其余零件自主设计并加工。
请参见图6所示，所述的前交叉韧带在位测量装置直线运动组件包括：直线伺服电机4、半联轴器5、带半联轴器丝杠6、轴承A7、均布凹槽导向螺母座8。它们之间的连接关系是：直线伺服电机4、输出轴被半联轴器5和带半联轴器丝杠6夹紧、带半联轴器丝杠6和均布凹槽导向螺母座8配合组成丝杠螺母机构、直线伺服电机4的转动带动丝杠运动、从而带动医用探钩13的直线运动。直线运动范围0mm到40mm，最大运行速度2mm/s,可以满足手术测量要求。
请参见图7所示，并结合图5，所述旋转机构组件包括：伺服导向电机仓端盖10，均布凹槽导向电机仓11、联轴器12、轴承座14、医用探钩13、探钩联轴器上分体15、探钩联轴器下分体16、轴承B17、探钩后端固定座18、旋转伺服电机19。旋转伺服电机19的轴与探钩后端固定座18通过联轴器12相连，医用探钩13和探钩后端固定座18通过探钩联轴器上分体15和探钩联轴器下分体16 组合连接。通过旋转伺服电机19的转动带动医用探钩13的旋转来实现转动的自由度，可进行顺时针和逆时针旋转，旋转角度不限。
力测量组件包括：均布凹槽导向螺母座8、拉压传感器9、导向电机仓端盖 10、均布凹槽导向电机仓11、联轴器12、医用探钩13、轴承座14、探钩联轴器上15、探钩联轴器下16、轴承B17、探钩后端固定座18、旋转伺服电机19。它们之间的连接关系为，拉压传感器9前端和伺服导向电机仓端盖10相连，后端与均布凹槽导向螺母座8前端相连。力测量组件位于直线运动组件和旋转组件之间，测量精度也得到保证，以避免了走线带来的不便。其中拉压传感器9即可测量压力也可测量拉力，测量范围为-500N到+500N，拉力为正，压力为负。
请参见图8，均布凹槽导向螺母座8、导向电机仓11其中导向凹槽120°布置，保证了机构运行时的稳定，下端预留出走线凹槽方便了结构布局和节省空间。
本发明与现有技术相比较，具有如下实质特点和显著优点：
一种结合术前规划的前交叉韧带重建术中韧带刚度在位智能机器人测量系统的优点在于：(1)提出了一种基于空间坐标变换的寻找最终测量点的方法，把前交叉韧带的柔性体与骨骼、机器人、测量装置等刚体进行关联该方法计算简单；(2)不同病人膝关节结构不同，通过术前虚拟建模适用于不同病人的膝关节结构(3)前交叉韧带刚度测量装置结构紧凑、重量轻，并同时拥有双自由度独立控制，可以实时检测力传感器反馈的信息；(4)测量装置末端提供冗余的旋转自由度便于操作；(5)整套测量系统拥有良好的重复测量精度，能有效提高手术准确性和安全性。
以上参照附图对本发明的描述是示意性的，没有限制性，本领域的技术人员应该能够理解，在实际实施中，本发明中各构件的形状和布局方式均可能发生某些改变；而在本发明的启示下，其他人员也可以做出与本发明相似的设计或对本发明做出修改以及某个构件的等同替换。特别需要指出的是，只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的改变以及具有等同替换的相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统，包括：术前MRI图像(20)、PC机(21)、机器人(22)、前交叉韧带刚度测量装置(23)和膝关节(24)，其特征在于：所述前交叉韧带刚度测量装置(23)安装在机器人(22)末端，并且PC机(21)、机器人(22)和前交叉韧带刚度在位测量装置(23)之间利用总线连接通讯；在术前对患者膝关节进行连续扫描获得MRI图像(20)，通过对MRI图像(20)的分析前交叉韧带在膝关节中的位置信息，将所得位置信息的输入PC机(21)，使机器人(22)带着前交叉韧带刚度测量装置(23)到达测量位置，再通过前交叉韧带刚度测量装置(23)伸入膝关节内部对重建后的前交叉韧带进行在位检测；
所述前交叉韧带刚度测量装置(23)是一个由直线运动机构、力测量机构和旋转机构依次连接组成的串联测量机构, 其中包含了弧形手持端(1)、导向外壳上分体(2)、导向外壳下分体(3)、壳体内部包含直线伺服电机(4)、半联轴器(5)、带半联轴器丝杠(6)、轴承A(7)、均布凹槽导向螺母座(8)、拉压传感器(9)、导向电机仓端盖(10)、导向电机仓(11)、联轴器(12)、医用探钩(13)、轴承座(14)、探钩联轴器上分体(15)、探钩联轴器下分体(16)、轴承B(17)、探钩后端固定座(18)和旋转伺服电机(19), 所述测量机构位于直线运动机构和旋转机构之间, 通过直线运动组件进入膝关节测量，旋转组件提供一个冗余的自用便于空间操作, 该装置既可以对前交叉韧带侧向进行拉力也可以进行压力检测，并且实时反馈到PC机(21)。
2.根据权利要求1所述的前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统，其特征在于：所述直线运动机构包括：直线伺服电机(4)、半联轴器(5)、带半联轴器丝杠(6)、轴承A(7)和均布凹槽导向螺母座(8), 它们之间的装配关系是：直线伺服电机(4)输出轴被半联轴器(5)和带半联轴器丝杠(6)夹紧、带半联轴器丝杠(6)与均布凹槽导向螺母座(8)配合组成丝杠螺母机构，直线伺服电机(4)的输出轴的旋转运动转化为带半联轴器丝杠(6)的直线运动，使串联的力测量机构和旋转机构一起进行直线运动，从而带动末端的医用探钩(13)的直线运动。
3.根据权利要求1所述的前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统，其特征在于：所述旋转机构包括：导向电机仓端盖(10)、均布凹槽导向电机仓(11)，联轴器(12)、轴承座(14)、医用探钩(13)、探钩联轴器上分体(15)、探钩联轴器下分体(16)、轴承B(17)、探钩后端固定座(18)和旋转伺服电机(19), 旋转伺服电机(19)的输出轴通过联轴器(12)连接在探钩后端固定座(18)的后端，医用探钩(13)通过探钩联轴器上分体(15)和探钩联轴器下分体(16)连接探钩后端固定座(18)的前端, 通过旋转伺服电机(19)的输出轴的转动带动探钩后端固定座(18)从而使医用探钩(13)实现旋转的自由度。
4.根据权利要求1所述的前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统，其特征在于：所述力测量机构包括：均布凹槽导向螺母座(8)、拉压传感器(9)、导向电机仓端盖(10)和均布凹槽导向电机仓(11)；它们之间的连接关系为，拉压传感器(9)前端与导向电机仓端盖(10)的后端相连，拉压传感器(9)后端与均布凹槽导向螺母座(8)前端相连，力测量机构位于直线运动机构和旋转机构之间，使拉压传感器(9)即可测量拉力也可测量压力，测量精度也得到保证，以避免了走线带来的不便。
5.根据权利要求1所述的前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统，其特征在于：所述术前MRI图像(20)是在术前对患者损伤进行每个实体扫描获得图像存储得到MRI图像(20)。
6.根据权利要求1所述的前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统，其特征在于：所述PC机(21)将上述MRI图像(20)进行处理，MRI资料导入医学影像重建软件中，对膝关节的中的胫骨、股骨、前交叉韧带进行三维重建，并进行修整、处理，并分析计算处前交叉韧带的位置；PC机(21)通过分布式EtherCAT网线与机器人(22)、前交叉韧带刚度测量装置(23)相连，实现对机器人(22)、前交叉韧带刚度测量装置(23)的实时控制。
7.根据权利要求1所述的前交叉韧带重建术中韧带刚度机器人在位测量系统，其特征在于：所述机器人(22)测量时提供6个自由度运动，机器人(22)的末端携带前交叉韧带刚度测量装置(23)到达空间指定位置点，并保证测量空间位置绝对精确。
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