CN110916753B - 一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置 - Google Patents

一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置，包括固定模块、一级缓震模块和二级缓震模块，固定模块包括固定框架和L型连接板，固定框架包括第一水平板、第二水平板和竖直板，竖直板两端分别连接第一水平板和第二水平板的同一侧边缘，L型连接板一端连接竖直板，另一端连接机器臂的末端关节；二级缓震模块包括下支撑板和两个缓震单元，每个缓震单元包括导向杆、缓震弹簧和限位单元，一级缓震模块包括两个支脚单元，每个支脚单元包括支撑管、支脚弹簧、滑动块和支撑杆。与现有技术相比，本发明具有两次钻铣力突变缓冲保、钻铣刀具末端轨迹引导、减缓医生手术把持器械强度、防止失速失稳的作用。

Description

一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置。
背景技术
开颅手术是神经外科手术中占比最高的一种外科手术。传统开颅手术由手术医生手持颅钻/颅铣器械，在患者颅骨上开出与肿瘤形状大小相近的骨窗，借助显微技术实现对肿瘤的清除手术。在传统颅骨钻铣过程中，完全由医生凭借自身力量用手把持钻铣器械，将铣刀末端抵住患者颅骨内表面，实现脑硬膜与颅骨表面的分离，同时保证钻铣精度。
由上述手术过程可知，传统开颅手术存在手术风险高、易发生脑膜脑损伤、医生体力消耗大、手术效果严重依赖临床经验等问题。有鉴于此，现有将具有精准、微创等显著特征的手术机械臂引入开颅手术中，医生既可以直接通过电脑程序操作机械臂，也可以让机械臂作为器械稳定支架，仍然手动控制颅钻/颅铣器械，以提高手术的精度和安全性，减轻医生操作强度。
然而，不管是传统开颅手术还是连接有机械臂的开颅手术，由于存在患者个体体质差异以及年龄、性别差异，患者个体颅骨骨组织存在结构不规则、钻铣力学特征不均匀等特点，在开颅手术过程中，铣刀与颅骨接触时易发生铣削力突变，出现铣刀失速和系统失稳情况，轻则影响手术精度和质量，重则危及患者生命安全。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置，包括固定模块、一级缓震模块和二级缓震模块，
所述的固定模块包括固定框架和L型连接板，固定框架包括第一水平板、第二水平板和竖直板，所述竖直板两端分别连接第一水平板和第二水平板的同一侧边缘，所述的L型连接板一端连接竖直板，另一端连接机器臂的末端关节，所述的第一水平板上设有第一固定孔和两个第一导向孔，第一固定孔位于第一水平板的中央，第一导向孔对称位于第一固定孔的两侧，所述的第二水平板中央设有固定槽；
所述的二级缓震模块包括下支撑板和两个缓震单元，所述的下支撑板中央设有第三固定孔，开颅手术用的钻铣器械依次穿过第一固定孔、第三固定孔和固定槽，钻铣器械的钻铣端部从固定槽向外伸出，并且下支撑板连接钻铣器械，每个缓震单元包括导向杆、缓震弹簧和限位单元，所述的限位单元安装在导向杆的一端，导向杆另一端穿过第一导向孔后固定连接下支撑板，所述的缓震弹簧套在导向杆外，并且位于第一水平板和下支撑板之间；
所述的一级缓震模块包括两个支脚单元，支脚单元安装在第二水平板的下端并且对称位于固定槽的两侧，每个支脚单元包括支撑管、支脚弹簧、滑动块和支撑杆，所述的支撑管连接第二水平板，支脚弹簧和滑动块均安装在支撑管内，所述支脚弹簧的一端连接支撑管一端的内壁，另一端通过滑动块连接支撑杆。
进一步地，所述支撑管内设有直径为D1的端部内腔和直径为D2的中部内腔，端部内腔和中部内腔形成台阶面，D1大于D2，所述的滑动块位于端部内腔中。
进一步地，所述支撑杆的端部设有滚轮。
进一步地，所述的竖直板上设有导轨，所述的下支撑板上设有导轨滑块，所述的导轨滑块连接导轨。
进一步地，所述的竖直板上设有长腰型孔。
进一步地，所述的二级缓震模块还包括上压板和调节螺栓，所述的上压板设有第二固定孔和两个第二导向孔，第二固定孔位于上压板的中央，所述的两个第二导向孔对称设置在第二固定孔的两侧，所述的第一水平板上还设有两个水平板螺栓孔，所述两个水平板螺栓孔对称设置在第一固定孔的两侧，所述的钻铣器械依次穿过第一固定孔，第二固定孔、第三固定孔和固定槽，所述的导向杆依次穿过第一导向孔和第二导向孔后固定连接下支撑板，所述的缓震弹簧位于上压板和下支撑板之间，所述的调节螺栓穿过水平板螺栓孔接触上压板，用于调节上压板和第一水平板之间的距离。
进一步地，所述的二级缓震模块还包括两个轴套，轴套安装在第一导向孔内，所述的轴套包括连接盘，轴套的一端通过连接盘固定在第一水平板上，所述的轴套内设有多条导向槽和滚珠，所述导向杆上设有和导向槽数量和位置对应的沟槽，滚珠位于导向槽和沟槽之间。
进一步地，所述的限位单元包括垫圈和端部螺栓，所述的导向杆的一端设有螺纹内孔，端部螺栓穿过垫圈后连接螺纹内孔，所述的垫圈外径大于导向杆的直径。
进一步地，所述的固定模块中，L型连接板的一端通过法兰盘连接机械臂的末端关节。
进一步地，所述的钻铣器械上设有把手。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过固定模块、一级缓震模块和二级缓震模块的设置，能够很好地解决开颅手术过程中钻铣力突变引起的失速失稳问题，一级缓震模块通过支脚单元的压缩起到首次缓冲保护作用，二级缓震模块通过缓震单元的压缩起到二次缓冲保护的作用。同时，支脚单元在手术中与患者颅骨相接触，可以部分抵消手术装置的自重，减缓医生手术中把持器械的操作强度，提高医生或机械臂对钻铣器械的力控制稳定性，提高手术的安全性。
2、本发明通过一级缓震模块的设置，手术过程中，当钻铣器械发生偏摆而不与颅骨法线垂直的时候，支脚单元内的支脚弹簧可随之产生不同弹簧压缩量，即使在此状态下亦可以对钻铣器械进行有效支撑，并提供安全保护。
3、在支撑杆的端部设置滚轮使得装置能够更加灵活的移动。
4、在固定模块中，第二水平板上固定槽的设置能够对钻铣端部进行横向限位，使其上下伸缩时端部的不会发生偏移；竖直板上设有导轨和下支撑板上的导轨滑块配合，使得缓震单元在压缩缓震弹簧的过程中的稳定性更好；竖直板上的长腰型孔能够在确保强度情况下减轻固定模块的重量。
5、二级缓震模块中通过调节上压板和第一水平板的间距来调节钻铣器械的安装高度，使其能适用于不同长度的钻铣器械，适用范围广。
6、在二级缓震模块中还设有轴套，并且轴套的导向槽通过滚轮连接导向杆内的沟槽，对导向杆的运动自由度进行约束，使得导向杆仅仅能沿着其轴线方向做直线运动，而不能绕着轴线方向做旋转运动，同时减少了相对摩擦，使其在轴套内的上下移动更加顺滑。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明另一视角的结构示意图。
图3为固定模块的结构示意图。
图4为二级缓震模块的结构示意图。
图5为支脚单元的结构示意图。
图6为支脚单元的内部结构示意图。
附图标记：
1、固定模块，11、固定框架，111、第一水平板，111a、第一固定孔，111b、第一导向孔，111c、水平板螺栓孔，111d、调节螺栓，112、第二水平板，112a、固定槽，113、竖直板，113a、导轨，113b、长腰型孔，12、L型连接板；
2、二级缓震模块，21、下支撑板，21a、第三固定孔，21b、导轨滑块，22、缓震单元，221、导向杆，221a、螺纹内孔，222、缓震弹簧，223、限位单元，223a、垫圈，223b、端部螺栓，23、上压板，23a、第二固定孔，23b、第二导向孔，24、轴套，241、连接盘；
3、一级缓震模块，31、支脚单元，311、支撑管，311a、端部内腔，311b、中部内腔，311c、台阶面，312、支脚弹簧，313、滑动块，314、支撑杆，315、滚轮；
4、钻铣器械，41、把手。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置，包括固定模块1、一级缓震模块3和二级缓震模块2。该装置用于连接开颅手术用的钻铣器械4和机器臂末端关节，在医生的操作下，利用机械臂对钻铣器械4进行人为引导完成开颅手术。
如图3所示，固定模块1包括固定框架11和L型连接板12。固定框架11包括第一水平板111、第二水平板112和竖直板113。竖直板113的两端分别连接第一水平板111和第二水平板112的同一侧边缘，形成内部空腔型结构。第一水平板111上设有第一固定孔111a和两个第一导向孔111b，第一固定孔111a位于第一水平板111的中央，第一导向孔111b对称位于第一固定孔111a的两侧。第二水平板112为一个U型板，在第二水平板112的中央设有一个半圆形的固定槽112a。第一固定孔111a和固定槽112a都是用来对钻铣器械4进行限位。竖直板113上设有长腰型孔113b，用于减轻装置的总体重量。L型连接板12的一端连接竖直板113，另一端通过法兰盘连接机器臂的末端关节。
如图4所示，二级缓震模块2包括上压板23、下支撑板21和两个缓震单元22。上压板23设有第二固定孔23a和两个第二导向孔23b，第二固定孔23a位于上压板23的中央，两个第二导向孔23b对称设置在第二固定孔23a的两侧。下支撑板21的中央设有第三固定孔21a。钻铣器械4依次穿过第一水平板111的第一固定孔111a，第二固定孔23a、第三固定孔21a和第二水平板112的固定槽112a，钻铣器械4的钻铣端部从固定槽112a向下伸出，钻铣器械4和下支撑板21进行固定，因此能够在第一固定孔111a，第二固定孔23a和固定槽112a中进行上下移动。每个缓震单元22包括导向杆221、缓震弹簧222和限位单元223。限位单元223安装在导向杆221的一端，导向杆221另一端依次穿过第一导向孔111b和第二导向孔23b后固定连接下支撑板21，缓震弹簧222套在导向杆221外，并且位于上压板23和下支撑板21之间。限位单元223包括垫圈223a和端部螺栓223b。导向杆221的一端设有螺纹内孔221a，端部螺栓223b穿过垫圈223a后连接螺纹内孔221a，垫圈223a外径大于导向杆221的直径。
下支撑板21上还设有导轨滑块21b，固定模块1的竖直板113上设有导轨113a，导轨滑块21b连接导轨113a，使得缓震单元22在压缩缓震弹簧222的过程中的稳定性更好。为了增加钻铣过程的稳定性，导轨113a优选高精度加宽型导轨113a组件。
二级缓震模块2还包括调节螺栓111d。第一水平板111上还设有两个水平板螺栓孔111c。两个水平板螺栓孔111c对称设置在第一固定孔111a的两侧，调节螺栓111d穿过水平板螺栓孔111c接触上压板23，用于调节上压板23和第一水平板111之间的距离。
二级缓震模块2还包括两个轴套24，轴套24安装在第一导向孔111b内。轴套24包括连接盘241，轴套24的一端通过连接盘241固定在第一水平板111上。在轴套24内设有多条(至少3条)导向槽和滚珠，导向杆221上设有和导向槽数量和位置对应的沟槽，滚珠位于导向槽和沟槽之间(图中未示出)。该结构对导向杆221的运动自由度进行约束，使得导向杆221仅能沿着其轴线方向做直线运动，而不能绕着轴线方向做旋转运动。
如图5和图6所示，一级缓震模块3包括两个支脚单元31，支脚单元31安装在第二水平板112的下端并且对称位于固定槽112a的两侧。每个支脚单元31包括支撑管311、支脚弹簧312、滑动块313、支撑杆314和滚轮315。支撑杆314的端部连接滚轮315。支撑管311连接第二水平板112，支脚弹簧312和滑动块313均安装在支撑管311内。支脚弹簧312的一端连接支撑管311一端的内壁，另一端通过滑动块313连接支撑杆314。支撑管311内设有直径为D1的端部内腔311a和直径为D2的中部内腔311b，端部内腔311a和中部内腔311b形成台阶面311c，D1大于D2，滑动块313位于端部内腔311a中。随着支脚弹簧312的压缩和拉伸，滑动块313在端部内腔311a内实现直线运动，并且带动支撑杆314和滚轮315实现上下直线运动。
本实施例的工作原理为：
在开颅手术过程中，医生手持钻铣器械4的把手41将钻铣器械4移动到患者的头颅，支脚单元31的滚轮315在支脚弹簧312的作用下始终与患者颅骨外表面相接触。当医生施加钻铣作用力时，支撑管311中的支脚弹簧312会受到压紧力作用，致使滚轮315和支撑杆314上下直线运动，并且带动滑动块313在支撑管311的端部内腔311a中移动。当发生手术器械的失速失稳状态时，支脚弹簧312收到外力作用收缩，滑动块313接触台阶面311c，阻止支脚弹簧312的进一步压缩，而把外力传递至二级缓震模块2。在二级缓震模块2中，钻铣器械4带动下支撑板21向上运动，从而压缩缓震弹簧222。通过二段式的缓冲从而防止失速失稳状态下钻铣器械4对患者颅脑实施意外损伤，减缓颅脑受到强力作用，提高手术操作安全性。
当医生将钻铣器械4偏离患者颅骨法向方向时，一级缓震模块3中的支脚弹簧312将受到不同的压缩力作用，将随着钻铣器械4的偏摆而发生两侧支脚单元31中的支脚弹簧312产生不同的压缩量，这就保证即使发生钻铣器械4的偏摆，亦可实现支撑和安全保护。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置，其特征在于，包括固定模块(1)、一级缓震模块(3)和二级缓震模块(2)，
所述的固定模块(1)包括固定框架(11)和L型连接板(12)，固定框架(11)包括第一水平板(111)、第二水平板(112)和竖直板(113)，所述竖直板(113)两端分别连接第一水平板(111)和第二水平板(112)的同一侧边缘，所述的L型连接板(12)一端连接竖直板(113)，另一端连接机器臂的末端关节，所述的第一水平板(111)上设有第一固定孔(111a)和两个第一导向孔(111b)，第一固定孔(111a)位于第一水平板(111)的中央，第一导向孔(111b)对称位于第一固定孔(111a)的两侧，所述的第二水平板(112)中央设有固定槽(112a)；
所述的二级缓震模块(2)包括下支撑板(21)和两个缓震单元(22)，所述的下支撑板(21)中央设有第三固定孔(21a)，开颅手术用的钻铣器械(4)依次穿过第一固定孔(111a)、第三固定孔(21a)和固定槽(112a)，钻铣器械(4)的钻铣端部从固定槽(112a)向外伸出，并且下支撑板(21)连接钻铣器械(4)，每个缓震单元(22)包括导向杆(221)、缓震弹簧(22)和限位单元(223)，所述的限位单元(223)安装在导向杆(221)的一端，导向杆(221)另一端穿过第一导向孔(111b)后固定连接下支撑板(21)，所述的缓震弹簧(22)套在导向杆(221)外，并且位于第一水平板(111)和下支撑板(21)之间；
所述的一级缓震模块(3)包括两个支脚单元(31)，支脚单元(31)安装在第二水平板(112)的下端并且对称位于固定槽(112a)的两侧，每个支脚单元包括支撑管(311)、支脚弹簧(312)、滑动块(313)和支撑杆(314)，所述的支撑管(311)连接第二水平板(112)，支脚弹簧(312)和滑动块(313)均安装在支撑管(311)内，所述支脚弹簧(312)的一端连接支撑管(311)一端的内壁，另一端通过滑动块(313)连接支撑杆(314)；
所述的二级缓震模块(2)还包括上压板(23)和调节螺栓(111d)，所述的上压板(23)设有第二固定孔(23a)和两个第二导向孔(23b)，第二固定孔(23a)位于上压板(23)的中央，所述的两个第二导向孔(23b)对称设置在第二固定孔(23a)的两侧，所述的第一水平板(111)上还设有两个水平板螺栓孔(111c)，所述两个水平板螺栓孔(111c)对称设置在第一固定孔(111a)的两侧，所述的钻铣器械(4)依次穿过第一固定孔(111a)，第二固定孔(23a)、第三固定孔(21a)和固定槽(112a)，所述的导向杆(221)依次穿过第一导向孔(111b)和第二导向孔(23b)后固定连接下支撑板(21)，所述的缓震弹簧(222)位于上压板(23)和下支撑板(21)之间，所述的调节螺栓(111d)穿过水平板螺栓孔(111c)接触上压板(23)，用于调节上压板(23)和第一水平板(111)之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置，其特征在于，所述支撑管(311)内设有直径为D1的端部内腔(311a)和直径为D2的中部内腔(311b)，端部内腔(311a)和中部内腔(311b)形成台阶面(311c)，D1大于D2，所述的滑动块(313)位于端部内腔(311a)中。
3.根据权利要求1所述的一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置，其特征在于，所述支撑杆(314)的端部设有滚轮(315)。
4.根据权利要求1所述的一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置，其特征在于，所述的竖直板(113)上设有导轨(113a)，所述的下支撑板(21)上设有导轨滑块(21b)，所述的导轨滑块(21b)连接导轨(113a)。
5.根据权利要求1所述的一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置，其特征在于，所述的竖直板(113)上设有长腰型孔(113b)。
6.根据权利要求1所述的一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置，其特征在于，所述的二级缓震模块(2)还包括两个轴套(24)，轴套(24)安装在第一导向孔(111b)内，所述的轴套(24)包括连接盘(241)，轴套(24)的一端通过连接盘(241)固定在第一水平板(111)上，所述的轴套(24)内设有多条导向槽和滚珠，所述导向杆(221)上设有和导向槽数量和位置对应的沟槽，滚珠位于导向槽和沟槽之间。
7.根据权利要求1所述的一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置，其特征在于，所述的限位单元(223)包括垫圈(223a)和端部螺栓(223b)，所述的导向杆(221)的一端设有螺纹内孔(221a)，端部螺栓(223b)穿过垫圈(223a)后连接螺纹内孔(221a)，所述的垫圈(223a)外径大于导向杆(221)的直径。
8.根据权利要求1所述的一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置，其特征在于，所述的固定模块(1)中，L型连接板(12)的一端通过法兰盘连接机械臂的末端关节。
9.根据权利要求1所述的一种用于开颅手术的机械臂末端二段式稳定装置，其特征在于，所述的钻铣器械(4)上设有把手(41)。
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