CN111281545B - 一种脊柱椎板切除手术设备 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于医疗器械技术领域，涉及一种脊柱椎板切除手术设备，其包括定位机器人、导航机器人、操作机器人和多机器人系统控制系统。其中定位机器人用于术中精准定位，导航机器人用于术中自主躲避障碍物，实现稳定导航，操作机器人用于术中稳定安全切除椎板。该手术设备与现有技术相比优点在于，通过多机器人协同控制系统信息处理，实现量化控制手术动力工具椎板切除，同时实现导航机器人主动避让位姿跟踪器标记遮挡物，最终安全有效地完成椎板切除手术。

Description

一种脊柱椎板切除手术设备
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种脊柱椎板切除手术设备。
背景技术
脊柱手术机器人技术已历经多年的发展，自SpineAssist机器人获美国FDA认证(2004年)至今，已经诞生了多种创新型产品，展现了优秀的手术定位精度和临床稳定性，表明：机器人在脊柱这一复杂高难手术中拥有显著优势和巨大发展潜力。进一步分析发现：现有的脊柱机器人产品主要用于图像引导下的手术精准定位，还没有用于手术精密操作(如：椎板切除)的脊柱机器人产品。
尽管国内外已经出现了几款用于椎板切除的脊柱机器人原型，但要实现真正的临床应用，必须要解决以下三个方面的临床问题：“险”(脊髓/神经等损伤风险大，并发症高)、“难”(椎板形态复杂，切除操作控制困难)、“盲”(感知手段不足，术区信息有限，看不清相关组织存在视野盲区)。
发明内容
本发明实施例索要解决的技术问题在于提供一种脊柱椎板切除手术设备，旨在解决临床中“险”、“难”、“盲”的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
脊柱椎板切除手术设备，其特征在于：包括定位机器人(1)、导航机器人(2)、操作机器人(3)和多机器人协同控制系统(4)；
所述操作机器人(3)包括操作机器人接口(31)、第一操作关节 (32)、第二操作关节(33)、手术动力工具夹持单元(34)、手术动力工具(35)、操作机器人控制系统；所述操作机器人接口(31)设置有操作机器人传感器接口、操作机器人定位机械臂接口；所述操作机器人接口(31)与所述第一操作关节(32)机械连接；所述第一操作关节(32)与第二操作关节(33)机械连接；所述手术动力工具夹持单元 (34)固定在第二操作关节(33)上；所述手术动力工具(35)可拆卸地安装在手术动力夹持单元(34)上；操作机器人控制系统与第一操作关节(32)、第二操作关节(33)电连接；
所述多机器人协同控制系统(4)包括定位机器人控制单元(41)、导航机器人控制单元(42)、操作机器人控制单元(43)、人-机交互单元(44)、术区感知单元(45)、中央处理单元(46)；所述中央处理单元(46)与定位机器人控制单元(41)、导航机器人控制单元(42)、操作机器人控制单元(43)、人-机交互单元(44)、术区感知单元(45)、中央处理单元(46)电连接；所述定位机器人控制单元(41)与所述定位机器人(1)电连接；所述导航机器人控制单元(42)与导航机器人(2) 电连接；所述操作机器人控制单元(43)与操作机器人控制系统电连接。
优选地，所述定位机器人(1)包括至少六自由度定位机械臂(11) 和定位控制系统(12)；所述定位控制系统(12)与定位机械臂(11) 电连接；所述定位机械臂(11)与所述操作机器人定位机械臂接口机械连接。
优选地，所述导航机器人(2)包括至少六自由度导航机械臂 (21)、位姿跟踪器(22)和导航控制系统(23)；所述位姿跟踪器(22)和导航机械臂(21)机械连接；所述导航控制系统(23) 与导航机械臂(21)、位姿跟踪器(22)电连接。
优选地，还包括手术动力工具控制系统；所述手术动力工具控制系统与所述手术动力工具(35)、操作机器人控制单元(43)、术区感知单元(45)电连接。
优选地，还包括内窥镜系统；所述内窥镜系统包括内窥镜成像单元(51)、内窥镜光源单元(52)、内窥镜图像处理单元(53) 和内窥镜显示单元(54)；所述内窥镜成像单元(51)设置有内窥镜操作机器人接口；所述内窥镜操作机器人接口与所述操作机器人传感器接口机械连接；所述内窥镜成像单元(51)与内窥镜光源单元(52)光纤连接；所述内窥镜图像处理单元(53)与所述内窥镜成像单元(51)、内窥镜显示单元(54)、中央处理单元(46)电连接。
优选地，还包括将术前病灶部位医学影像数据进行三维重建、三维规划的术前规划系统；所述手术规划系统与人-机交互单元 (44)、中央处理单元(46)电连接。
优选地，还包括术中配准、监控的术中监控系统；所述术中监控系统与术前规划系统、人-机交互单元(44)电连接。
优选地，还包括位姿跟踪器标记；所述位姿跟踪器固定在手术对象或手术工具上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中地技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，就可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的脊柱椎板切除手术设备结构图
图2是本发明实施例的操作机器人结构图
图3是本发明实施例的多机器人协同控制系统结构图
图4是本发明实施例的内窥镜系统结构图
图中，各部件的标记如下：
1：定位机器人；2：导航机器人；3：操作机器人；4：多机器人协同控制系统；
11：定位机械臂；12：定位控制系统；
21：导航机械臂；22：位姿跟踪器；23：导航控制系统；
31：操作机器人接口；32：第一操作关节；33：第二操作关节； 34：手术动力工具夹持单元；35：手术动力工具；
41：定位机器人控制单元；42：导航机器人控制单元；43：操作机器人控制单元；44：人-机交互单元；45：术区感知单元；46：中央处理单元；
51：内窥镜成像单元；52：内窥镜光源单元；53：内窥镜图像处理单元；54内窥镜显示单元；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种脊柱椎板切除手术设备包括定位机器人(1)、导航机器人(2)、操作机器人(3)、多机器人协同控制系统(4)。
如图2所示，所述操作机器人(3)包括包括操作机器人接口 (31)、第一操作关节(32)、第二操作关节(33)、手术动力工具夹持单元(34)、手术动力工具(35)、操作机器人控制系统。所述操作机器人接口(31)设置有操作机器人传感器接口、操作机器人定位机械臂接口，用于操作机器人与其他部件的连接。所述第一操作关节(32) 与所述第二操作关节(33)机械连接，用于实现切除操作运动；所述手术动力工具夹持单元(34)固定在第二操作关节(33)上；所述手术动力工具(35)可拆卸地安装在手术动力夹持单元(34)上，方便于手术动力工具(35)术前消毒；所述操作机器人控制系统与所述第一操作关节(32)、第二操作关节(33)电连接，实现关节运动的控制。
需要说明的是，本实施发明例介绍了一种两移动关节十字交叉连接实现椎板切除操作运动的方案，但不限于采用该方案，实际上采用现有技术中其他的运动方案也可以实现椎板切除操作的运动。
如图3所示，所述多机器人协同控制系统(4)包括定位机器人控制单元(41)、导航机器人控制单元(42)、操作机器人控制单元(43)、人-机交互单元(44)、术区感知单元(45)、中央处理单元(46)；所述中央处理单元(46)与定位机器人控制单元(41)、导航机器人控制单元(42)、操作机器人控制单元(43)、人-机交互单元(44)、术区感知单元(45)电连接，即中央控制单元(46)与其他各单元间均进行通信；所述定位机器人控制单元(41)与定位机器人(1)电连接，即定位机器人(1)向定位机器人控制单元(41)实时发送机器人各关节位置和末端位姿，而定位机器人控制单元(41)向定位机器人(1)发送控制指令；所述导航机器人控制单元(42)与导航机器人(2)电连接，即导航机器人(2)向导航机器人控制单元(42)实时发送手术对象或手术工具位姿以及机器人各关节位置和末端位姿，而导航机器人控制单元(42)向导航机器人(2)发送控制指令；所述操作机器人控制单元(43) 与所述操作机器人控制系统电连接，即操作机器人控制系统向操作机器人控制单元(43)实时发送机器人各关节位置和末端位姿，操作机器人控制单元(43)向操作机器人控制系统发送控制指令。
优选地，所述定位机器人(1)包括至少六自由度定位机械臂(11) 和定位控制系统(12)；所述定位控制系统(12)与所述定位机械臂(11) 电连接，即定位控制系统(12)控制定位机械臂(11)的运动；所述定位机械臂(11)与所述操作机器人定位机械臂接口机械连接。
优选地，所述导航机器人(2)包括至少六自由度导航机械臂 (21)、位姿跟踪器(22)和导航控制系统(23)；所述位姿跟踪器(22) 与导航机械臂(21)机械连接，即位姿跟踪器(22)固定在导航机械臂 (21)末端上；所述导航控制系统(23)与导航机械臂(21)、位姿跟踪器(22)电连接，即导航机械臂(21)将机械臂各关节位置和末端位姿发送导航控制系统(23)，位姿跟踪器(23)将手术对象或手术工具位姿发送到导航控制系统(23)，同时导航控制系统(23)向导航机械臂 (21)和位姿跟踪器(22)发送控制指令。
优选地，还包括手术动力工具控制系统；所述手术动力工具控制系统与所述手术动力工具(35)、操作机器人控制单元(43)、术区感知单元(45)电连接，即手术动力工具控制系统控制手术动力工具 (35)的切除参数包括但不限于切除功率、切除温度、切除注水量，同时将切除参数发送到术区感知单元(45)，经中央处理单元(46)处理后，操作机器人控制单元(43)将控制指令发送到手术动力工具控制系统。
如图4所示，优选地，还包括内窥镜系统；所述内窥镜系统包括内窥镜成像单元(51)、内窥镜光源单元(52)、内窥镜图像处理单元(53)和内窥镜显示单元(54)；所述内窥镜成像单元(51)设置有内窥镜操作机器人接口，用于固定内窥镜成像单元(51)；所述内窥镜操作机器人接口与所述操作机器人传感器接口机械连接，即将内窥镜成像单元(51)固定在操作机器人(3)上；所述内窥镜成像单元(51) 与内窥镜光源单元(52)光纤连接，将光通过光纤照射到病灶腔体内；所述内窥镜图像处理单元(53)与所述内窥镜成像单元(51)、内窥镜显示单元(54)、中央处理单元(46)电连接，即内窥镜成像单元(51) 将图像数据传输到内窥镜图像处理单元(53)经处理将图像数据传输到内窥镜显示单元(54)和中央处理单元(46)中。
优选地，还包括将术前病灶部位医学影像数据进行三维重建、三维规划的术前规划系统；所述手术规划系统与所述人-机交互单元 (44)、中央处理单元(46)电连接，即医生通过人机交互界面操作完成手术规划任务并将规划数据传输到中央处理单元(46)中。
优选地，还包括术中配准、监控的术中监控系统；所述术中监控系统与术前规划系统、人-机交互单元(44)电连接，即医生可以通过界面实时监视控制手术对象、手术工具、规划路径的关系。
优选地，还包括位姿跟踪器标记；所述位姿跟踪器固定在手术对象或手术工具上，即在要监控的对象上固连所述位姿跟踪器标记。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.脊柱椎板切除手术设备，其特征在于：包括定位机器人(1)、导航机器人(2)、操作机器人(3)和多机器人协同控制系统(4)； 所述操作机器人(3)包括操作机器人接口(31)、第一操作关节(32)、第二操作关节(33)、手术动力工具夹持单元(34)、手术动力工具(35)、操作机器 人控制系统；所述操作机器人接口(31)设置有操作机器人传感器接口、操作机器人定位机械臂接口；所述操作机器人接口(31)与所述第一操作关节(32)机械连接；所述第一操作关节(32)与第二操作关节(33) 机械连接；所述手术动力工具夹持单元(34)固定在第二操作关节(33) 上；所述手术动力工具(35)可拆卸地安装在手术动力工具夹持单元(34)上；操作机器人控制系统与第一操作关节(32)、第二操作关节(33)电连接； 所述多机器人协同控制系统(4)包括定位机器人控制单元(41)、导航机器人控制单元(42)、操作机器人控制单元(43)、人-机交互单元 (44)、术区感知单元(45)、中央处理单元(46)；所述中央处理单元(46) 与定位机器人控制单元(41)、导航机器人控制单元(42)、操作机器人控制单元(43)、人-机交互单元(44)、术区感知单元(45)、中央处理单元(46)电连接；所述定位机器人控制单元(41)与所述定位机器人(1)电连接；所述导航机器人控制单元(42)与导航机器人(2)电连接；所述操作机器人控制单元(43)与操作机器人控制系统电连接；
还包括内窥镜系统；所述内窥镜系统包括内窥镜成像单元(51)、内窥镜光源单元(52)、内窥镜图像处理单元(53)和内窥镜显示单元 (54)；所述内窥镜成像单元(51)设置有内窥镜操作机器人接口；所述内窥镜操作机器人接口与所述操作机器人传感器接口机械连接；所述内窥镜成像单元(51)与内窥镜光源单元(52)光纤连接；所述内窥镜图像处理单元(53)与所述内窥镜成像单元(51)、内窥镜显示单元(54)、中央处理单元(46)电连接。
2.根据权利要求1所述的脊柱椎板切除手术设备，其特征在于： 所述定位机器人(1)包括至少六自由度定位机械臂(11)和定位控制系统(12)；所述定位控制系统(12)与定位机械臂(11)电连接；所述定位机械臂(11)与所述操作机器人定位机械臂接口机械连接。
3.根据权利要求2所述的脊柱椎板切除手术设备，其特征在于： 所述导航机器人(2)包括至少六自由度导航机械臂(21)、位姿跟踪器 (22)和导航控制系统(23)；所述位姿跟踪器(22)和导航机械臂(21)机械连接；所述导航控制系统(23)与导航机械臂(21)、位姿跟踪器(22)电连接。
4.根据权利要求3所述的脊柱椎板切除手术设备，其特征在于：还包括手术动力工具控制系统；所述手术动力工具控制系统与所述手术动力工具(35)、操作机器人控制单元(43)、术区感知单元(45)电连接。
5.根据权利要求1所述的脊柱椎板切除手术设备，其特征在于： 还包括将术前病灶部位医学影像数据进行三维重建、三维规划的术前规划系统；所述术前规划系统与人-机交互单元(44)、中央处理单元(46) 电连接。
6.根据权利要求5所述的脊柱椎板切除手术设备，其特征在于：还包括术中配准、监控的术中监控系统；所述术中监控系统与术前规划系统、人-机交互单元(44)电连接。
7.根据权利要求6所述的脊柱椎板切除手术设备，其特征在于：还包括位姿跟踪器标记；所述位姿跟踪器固定在手术对象或手术工具上。
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