CN112244985A - 往复进给单元、骨科置钉机构、装置及骨科置钉方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种往复进给单元、骨科置钉机构、装置及骨科置钉方法，包括固定夹结构、活动臂结构及骨科置钉机构，骨科置钉机构包括滑台机构、伸缩机构、探针摆动机构及往复进给单元，往复进给单元包括驱动机构、第一滚轮、第二滚轮及夹紧机构。本发明所述的往复进给单元、骨科置钉机构、装置及骨科置钉方法，解决了现有技术中医生凭借经验应用手锥和克氏针在椎弓根上手动打孔，进而导致椎弓根螺钉置入的过程中各种不确定情况的发生的技术问题。

Description

往复进给单元、骨科置钉机构、装置及骨科置钉方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，尤其是涉及一种往复进给单元、骨科置钉机构、装置及骨科置钉方法。

背景技术

先天性脊柱侧弯是一种小儿严重的先天性畸形。先天性脊柱侧弯分为椎体形成不良、分节不良以及混合型三种，椎体的畸形导致脊柱向侧方或前后方凸起、旋转，随脊柱的生长而逐渐加重，脊柱的畸形对患儿的影响除体态畸形外，更严重的是影响患儿的心肺功能，脏器功能和脊髓功能，严重阻碍儿童的生长发育。先天性脊柱侧弯还常伴有其他系统的畸形，如椎管及脊髓异常，泌尿系畸形，先心病，肋骨融合或缺如等，因此加重患儿的脊柱及胸廓发育不良程度，导致儿童的心肺发育障碍，腹部脏器发育障碍，以及脊髓功能障碍。

先天性脊柱侧弯的治疗分为保守治疗和手术治疗两类，保守治疗方法，例如Mehta系列石膏矫形，有时可以延缓脊柱畸形的加重，对畸形进展迅速者多以手术治疗为主，临床上先天性脊柱侧弯常用术式包括半椎体切除术、生长棒撑开术、脊柱截骨矫形固定融合术等，而不同手术方式的关键点与难点均在于椎弓根螺钉的置入。传统手动置钉方式是由术者根据术前及术中影像学资料、解剖位置，根据经验选择入针点及方向，将螺钉攻入，自椎弓根内穿行至前方椎体，结合术中影像学资料评估置钉满意度；在整个过程中，无论是术者的判断、患儿的体位变动、乃至术者的手法缺一不可，任一环节的异常，轻则固定效果不佳、矫形效果欠满意，重则导致周围重要血管神经受损，为患儿带来严重的后果。由此可见，过于依赖经验与手感的徒手置钉方式有着难以避免的弊端。而近年来智能机器人辅助置钉的方式逐渐进入人们的视野。由于机器人可以克服人的生理极限，且兼具准确度、稳定性、可控性、可重复性等优势，智能机器人成为骨科发展的一大热点趋势。

国外的骨科人工智能可追溯至1988年美国研发的人工髋关节置换机器人；全球首款骨科手术机器人是由Integrated Surgical Systems公司研发的RoboDoc机器人；现在研究较为成熟的脊柱机器人包括以色列研发的Spine Assist/Renaissance、法国研发的ROSASpine，以及仍处于研发改善中的CORA、SOINEBOT、VectorBot/Kinemedic/LWR等；临床应用相对较成熟、广泛。我国骨科智能机器人研究较晚，整体上仍处于起步阶段，主要研发单位包括北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等；使用单位主要包括北京积水潭医院、中国人民解放军总医院、第三军医大学新桥医院等；其中北京儿童医院是国内首家应用骨科机器人辅助手术的儿童专科医院。北京积水潭医院研制的天玑骨科机器人代表了该领域下国内顶尖水平，已突破了颈椎阶段手术的限制，达到国际领先水平。

国内外多项研究分析表明，脊柱外科智能机器人辅助置钉对比传统徒手置钉，无论从置钉准确性、成功率、满意度等各方面均有明显提升，置钉导致的术后并发症也相应减少；但由于小儿先天性脊柱侧弯畸形的特殊性——椎体畸形多样且复杂、畸形的个体化差异明显、年龄较小、椎体及椎弓根发育差——导致术中置钉失败的几率仍相对较高。

在脊柱外科领域，X线监测椎弓根螺钉植入技术常常需要C型臂X射线透视来监测螺钉是否置入正确。但是由于在水平与矢状面上椎弓根中心轴存在倾斜角度，而椎体是圆柱形的，仅依靠普通的X射线成像难以监测到螺钉的位置和深度，如此置入的椎弓根螺钉的位置有较高的假阳性率与假阴性率，而且X射线透视来监测无法做到连续监测，同时辐射伤害相对较高。

目前在椎弓根置钉手术中，多数医生只能全凭多年的经验方法进行手术。其一般用手锥始终保证一定的下沉力，先将进钉点处骨皮质破开后，再使用2mm克氏针的钝头用双手慢慢向下捣开椎弓根内的松质骨，可以听到特有的“嚓嚓”的声音以及感受到特殊的手感，直到椎体前皮质，可以听到较坚硬的弹响声，拔除克氏针，可以测量椎弓根钉的长度，这样的方法置入椎弓根钉，一般可保证钉位于椎弓根的中央。这种经验方式的“嚓嚓”的声音和特殊的手感是没有统一标准化的，每个医生之间都会存在差异，所以这就导致了在椎弓根螺钉置入的过程中各种不确定情况的发生，对患者存在很大的安全隐患。

近红外光谱技术用于监测椎弓根螺钉置入的方法，虽然其对提高螺钉置入的准确率有一定的提高作用，但是其目前没有更加有效的特征识别因子，而且不能很好的直接反应特征识别因子的变化，以及其目前缺少纠偏预警等功能。所以近红外光谱技术在用于监测椎弓根螺钉置入方面还需进一步优化和完善相应功能，才能更好的在临床手术中使用。

在现有技术中的椎弓根螺钉内固定术中，计算机辅助导航技术是目前最准确的监测方法，但它需要借助昂贵的设备和特殊的器械，操作较为复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种往复进给单元、骨科置钉机构、装置及骨科置钉方法，解决了现有技术中医生凭借经验应用手锥和克氏针在椎弓根上手动打孔，进而导致椎弓根螺钉置入的过程中各种不确定情况的发生的技术问题；

进一步解决了现有技术中的椎弓根螺钉内固定术中，需要借助昂贵的设备和特殊的器械，操作较为复杂的技术问题；

并且解决了传统手动置钉方式导致固定效果不佳、矫形效果欠满意，以及导致周围重要血管神经受损的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种往复进给单元，包括驱动机构、第一滚轮、第二滚轮及夹紧机构；

所述驱动机构用于驱动所述第一滚轮及第二滚轮转动，所述夹紧机构用于实现所述第一滚轮与所述第二滚轮之间夹紧，所述第一滚轮及第二滚轮用于带动探针或能够与椎弓根螺钉配合的螺丝刀头进行直线往复运动。

进一步的，所述驱动机构包括第三马达及第四马达，所述第二滚轮设置在所述第三马达输出端，所述第一滚轮设置在所述第四马达输出端。

进一步的，所述第一滚轮及第二滚轮上均设有能够与探针配合的环形凹槽。

进一步的，所述夹紧机构包括导轨结构、第五马达、第二丝杠、第一活动夹、第二活动夹、第一滚轮支架及第二滚轮支架，所述第一滚轮支架及第二滚轮支架均滑动设置在所述导轨结构上，所述第二滚轮转动设置在所述第二滚轮支架上，所述第一滚轮转动设置在所述第一滚轮支架上，所述第一滚轮支架及第二滚轮支架设置在所述第一活动夹与第二活动夹之间，所述第五马达用于驱动所述第二丝杠转动，当所述第二丝杠转动时，所述第一活动夹及第二活动夹夹紧所述第一滚轮支架及第二滚轮支架。

进一步的，所述第一活动夹与第二滚轮支架接触位置设有第一压力传感器，所述第二活动夹与第一滚轮支架接触位置设有第二压力传感器。

进一步的，所述第一活动夹及第二活动夹均通过自锁型梯形螺纹与所述第二丝杠啮合。

进一步的，所述导轨结构包括第一导轨及第二导轨，所述第一滚轮支架与所述第一导轨及第二导轨滑动连接，所述第二滚轮支架与所述第一导轨及第二导轨滑动连接。

一种骨科置钉机构，包括滑台机构、伸缩机构、探针摆动机构及上述的往复进给单元；

所述滑台机构包括滑轨及滑台，所述滑台与所述滑轨滑动连接，所述伸缩机构用于实现所述滑台与所述滑轨之间的滑动，所述往复进给单元通过扭动机构设置在所述滑台上，所述探针摆动机构用于实现所述往复进给单元的转动。

进一步的，所述扭动机构包括第一支撑架及扭动盘，所述扭动盘通过第一轴承与所述第一支撑架转动连接，所述夹紧机构设置在所述扭动盘上，所述探针摆动机构的输出端与所述扭动盘固接，所述探针摆动机构设置在所述滑台上。

进一步的，所述探针摆动机构为第一马达。

进一步的，所述伸缩机构包括第二马达、第一丝杠、第二支撑架及第三支撑架，所述第三支撑架设置在所述滑轨上，所述第二马达及第二支撑架均设置在所述滑台上，所述第一丝杠通过第二轴承与所述第二支撑架转动连接，所述第三支撑架上设有螺纹孔，所述第一丝杠与所述螺纹孔连接，所述第二马达用于驱动所述第一丝杠转动。

进一步的，所述第二马达的输出轴通过第一扭矩传感器与所述第一丝杠连接，所述探针摆动机构的输出端通过第二扭矩传感器与所述扭动盘连接。

进一步的，所述第一丝杠的螺纹及所述螺纹孔均为自锁型梯形螺纹。

进一步的，所述第一丝杠、探针摆动机构、第二马达及扭动盘均位于同一轴心线，所述探针摆动机构的输出轴、第二马达的输出轴、第一丝杠及扭动盘的轴心位置均设有能够通过探针的通孔，所述扭动盘的通孔位于所述第一滚轮与第二滚轮之间。

进一步的，所述骨科置钉机构还包括第一保护罩及第二保护罩，所述第一保护罩用于覆盖所述第二马达以及第二马达的移动行程，所述第二保护罩用于覆盖探针摆动机构以及往复进给单元。

进一步的，所述骨科置钉机构还包括引导头及用于引导探针的导向锥形管，所述引导头设置在所述第二保护罩靠近所述往复进给单元的端部，所述导向锥形管与所述引导头可拆卸连接。

进一步的，所述骨科置钉机构还包括用于测量探针行进距离的标尺，所述标尺设置在所述第一丝杠外侧端部。

进一步的，所述标尺远离所述第一丝杠的端部设有圆形板件，所述圆形板件上设有能够与通过探针的圆孔，所述标尺上设有能够与探针配合的镂空槽，所述圆孔与所述镂空槽连通，所述标尺上设有两条刻度线，两条所述刻度线对称设置在所述镂空槽两侧。

一种骨科置钉装置，包括固定夹结构、活动臂结构及上述的一种骨科置钉机构；

所述固定架结构通过所述活动臂结构与所述滑轨连接。

进一步的，所述固定夹结构包括固定夹及四个手拧螺栓，所述固定夹断面为C形，四个所述手拧螺栓均设置在所述固定夹底部，每一所述手拧螺栓顶部均设有防滑胶垫，所述固定夹与所述活动臂结构连接。

一种骨科置钉方法，包括如下步骤：

步骤一：选用探针类别中的尖头探针，第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值均设置为尖头探针能够在皮肉中穿行的扭矩阈值，设置第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为能够夹紧尖头探针的压力阈值，将固定夹结构安装在在手术台旁，通过调节活动臂结构来调节骨科置钉机构位置，将尖头探针插入骨科置钉机构中并使尖头探针底部与标尺顶部平齐，而且尖头探针的尖头露出导向锥形管；

步骤二：再一次调节骨科置钉机构位置，使尖头探针抵触到需要打孔的皮肤上；

步骤三：通过骨科置钉机构将尖头探针缓缓扭压入皮肉深处，当第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值到达设置好的扭矩阈值时，第一马达及第二马达自动停止，当第一马达及第二马达停止后，使用X光透视确认尖头探针是否已抵触到椎弓根皮质骨打孔位置；若尖头探针位置不符，通过调节活动臂结构及骨科置钉机构的位置对尖头探针行进方向进行调节；步骤四：步骤三确认无异常后，第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值均设置为尖头探针能够压入皮质骨深处的扭矩阈值，设置第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为能够夹紧尖头探针的压力阈值，骨科置钉机构将尖头探针缓缓扭压入皮质骨深处直至自动停止；

步骤五：步骤四确认无异常后，关闭骨科置钉机构将尖头探针更换为顿头探针，同时确保顿头探针插入后在标尺处显示的位置与尖头探针更换前所在标尺位置一致，第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值均设置为顿头探针在松质骨中穿行的扭矩阈值，设置第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为能够夹紧顿头探针的压力阈值，设置第二马达对顿头探针极限插入尺寸值，骨科置钉机构将顿头探针缓缓扭压入松质骨深处直至停止。

进一步的，当所述步骤五操作完成后，还包括如下步骤：

步骤六：已经插入的顿头探针不要移动，调节活动臂结构并同时将骨科置钉机构移离顿头探针；

步骤七：将骨科置钉机构的引导头和导向锥形管更换为内径适合椎弓根螺钉穿行的引导头和内径适合椎弓根螺钉穿行的导向锥形管；

步骤八：使用手术刀在探针两侧扩切一定距离，调节活动臂结构将顿头探针插入骨科置钉机构中，直到导向锥形管抵触到手术刀扩切的部位；

步骤九：设置第一扭矩传感器的扭矩阈值，使第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为0，骨科置钉机构将适合椎弓根螺钉穿行的导向锥形管压入，当第一扭矩传感器的扭矩阈值到达设置的扭矩阈值时，第二马达自动停止；

步骤十：调节活动臂结构，保持导向锥形管位置不变，并将导向锥形管与引导头拆卸分离；

步骤十一：将中空长杆椎弓根螺丝刀头加持在第一滚轮与第二滚轮之间，并将椎弓根自攻螺钉安装在中空长杆椎弓根螺丝刀头上；调节活动臂结构，将安装椎弓根自攻螺钉的骨科置钉机构沿顿头探针插入到适合椎弓根穿行的导向锥形管中，直接抵触到椎弓根；

步骤十二：设置好第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值，使第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为能够夹紧中空长杆椎弓根螺丝刀头的压力阈值，而且将第一马达运动模式由扭动调整为转动；骨科置钉机构将椎弓根自攻螺钉旋拧入椎弓根，当第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值到达设置好的扭矩阈值时，第一马达及第二马达自动停止。

相对于现有技术，本发明所述的往复进给单元、骨科置钉机构、装置及骨科置钉方法具有以下优势：

本发明所述的往复进给单元、骨科置钉机构、装置及骨科置钉方法，骨科置钉装置能够与骨科智能机器人组合进行使用，并且可以将骨科置钉机构独立的医疗器械进行使用，骨科置钉装置对提升儿童先天性脊柱侧弯矫形手术安全性、降低患儿痛苦及手术并发症发生率、降低医疗成本、推动医患关系健康化发展都有显著的进步；

骨科置钉装置可通过力学传导，实时感应置钉位置，以避免螺钉穿破前方椎体皮质骨骨面，保证螺钉在椎弓根内正常走行，从而避免并发症的发生，大大提高椎弓根螺钉置入的安全性。骨科置钉装置能够与骨科智能机器人组合进行使用，成为螺钉置入过程中的最后一道“安全锁”；可以将骨科置钉机构独立的医疗器械进行使用，替代传统的置钉工具，作为一种辅助设备，大大提升临床医生徒手置钉的安全性与准确性；前者作为骨科智能机器人的部件，完善丰富了机器人的功能；后者作为一种单独的手术器械，不局限于机器人巨大的空间占用以及高昂的花费，作为手术者的一种补足手段，可以充分发挥临床医生的经验与技巧。不管是哪种形式存在，都为先天性脊柱侧弯患儿的手术成功提供安全保障，减低术中术后并发症的发生率，在满足患儿需求的前提下，合理节约我国医疗资源，也对医患关系健康化发展产生推动作用。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种骨科置钉装置示意图；

图2为本发明实施例所述的一种骨科置钉装置工作结构示意图；

图3为本发明实施例所述的一种骨科置钉机构结构示意图；

图4为本发明实施例所述的一种骨科置钉机构中的往复进给单元与扭动机构组合结构示意图；

图5为本发明实施例所述的一种往复进给单元结构示意图；

图6为本发明实施例所述的一种骨科置钉方法中的顿头探针结构示意图；

图7为本发明实施例所述的一种骨科置钉方法中的尖头探针结构示意图；

图8为本发明实施例所述的一种骨科置钉装置使用时电控示意图。

附图标记说明：

1、固定夹；2、活动臂；4、标尺；5、第一保护罩；6、第二保护罩；7、导向锥形管；8、探针；9、引导头；10、第一支撑架；11、第一马达；12、第二支撑架；13、第二马达；14、第一丝杠；15、第三支撑架；16、滑轨；17、滑台；18、扭动盘；19、第三马达；20、第四马达；21、第五马达；22、第一活动夹；23、第一导轨；24、第二导轨；25、第二活动夹；26、第二丝杠；27、第一滚轮；28、第二滚轮；29、第一滚轮支架；30、第二滚轮支架。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种往复进给单元，如图5所示，包括驱动机构、第一滚轮27、第二滚轮28及夹紧机构；

驱动机构用于驱动第一滚轮27及第二滚轮28转动，夹紧机构用于实现第一滚轮27与第二滚轮28之间夹紧，第一滚轮27及第二滚轮28用于带动探针8或能够与椎弓根螺钉配合的螺丝刀头进行直线往复运动。本实施例中，驱动机构包括第三马达19及第四马达20，第二滚轮28设置在第三马达19输出端，第一滚轮27设置在第四马达20输出端，第三马达19与第四马达20转动方向相反，且保证启停同步，本实施例中，第一滚轮27及第二滚轮28上均设有能够与探针8配合的环形凹槽，第一滚轮27及第二滚轮28的轴心线平行，平行状态有利于给探针8加紧，也防止第一滚轮27及第二滚轮28干涉影响进给。

夹紧机构包括导轨结构、第五马达21、第二丝杠26、第一活动夹22、第二活动夹25、第一滚轮支架29及第二滚轮支架30，第一滚轮支架29及第二滚轮支架30均滑动设置在导轨结构上，第二滚轮28转动设置在第二滚轮支架30上，第一滚轮27转动设置在第一滚轮支架29上，第一滚轮支架29及第二滚轮支架30设置在第一活动夹22与第二活动夹25之间，第五马达21用于驱动第二丝杠26转动，当第二丝杠26转动时，第一活动夹22及第二活动夹25夹紧第一滚轮支架29及第二滚轮支架30，本实施例中，第一活动夹22及第二活动夹25均通过自锁型梯形螺纹与第二丝杠26啮合。

第一活动夹22与第二滚轮支架30接触位置设有第一压力传感器，第二活动夹25与第一滚轮支架29接触位置设有第二压力传感器。

本实施例中，导轨结构包括第一导轨23及第二导轨24，第一滚轮支架29与第一导轨23及第二导轨24滑动连接，第二滚轮支架30与第一导轨23及第二导轨24滑动连接。

一种骨科置钉机构，如图3-4所示，包括滑台机构、伸缩机构、探针摆动机构及上述的往复进给单元；

滑台机构包括滑轨16及滑台17，滑台17与滑轨16滑动连接，伸缩机构用于实现滑台17与滑轨16之间的滑动，往复进给单元通过扭动机构设置在滑台17上，探针摆动机构用于实现往复进给单元的转动。

扭动机构包括第一支撑架10及扭动盘18，扭动盘18通过第一轴承与第一支撑架10转动连接，夹紧机构设置在扭动盘18上，探针摆动机构的输出端与扭动盘18焊接，第五马达21固设在扭动盘18上，探针摆动机构设置在滑台17上，本实施例中，探针摆动机构为第一马达11，第一压力传感器及第二压力传感器反馈可实时对第一滚轮27及第二滚轮28之间的夹紧力进行自动调整，同时第一滚轮27及第二滚轮28位于扭动盘18中央，如此第一马达11可经扭动盘18带动第一滚轮27及第二滚轮28夹紧探针8进行往复扭动，进而减少阻塞情况发生，促进探针更加顺利的行进。通过预先设定的压力阈值调节第一滚轮27及第二滚轮28对探针8的夹紧力，当发生阻力过大时探针可在第一滚轮27及第二滚轮28中间打滑而不跟随扭动盘18扭动和第二马达13沿滑轨行进，如此增加了一道保护措施，避免医疗事故的发生。

第一支撑架10中心位置设有轴承孔，第一轴承安装在轴承孔内，第一轴承内圈与扭动盘18连接，且与第一马达11和第二马达13同轴，第一轴承及第二轴承均为圆柱滚子轴承，且轴承的滚子之间装有间隔保持器，防止滚子的倾斜或滚子之间相互摩擦，有效防止了旋转扭矩的增加。扭动盘18和轴承孔可分离，便于安装和拆卸。扭动盘18外圈采用NJ型轴承式设计外圈两侧有能够与第一轴承配合的挡边，扭动盘18靠近第一马达11一侧设有挡边。当探针8阻力过大时可经第一滚轮27及第二滚轮28带动扭动盘18向第一马达11方向缓冲运动，从而结合在大阻力下探针8在第一滚轮27及第二滚轮28之间打滑作用，双重作用下，对椎弓根进行保护。

伸缩机构包括第二马达13、第一丝杠14、第二支撑架12及第三支撑架15，第三支撑架15设置在滑轨16上，第二马达13及第二支撑架12均设置在滑台17上，第一丝杠14通过第二轴承与第二支撑架12转动连接，第三支撑架15上设有螺纹孔，第一丝杠14与螺纹孔连接，第二马达13用于驱动第一丝杠14转动，本实施例中，第一丝杠14的螺纹及螺纹孔均为自锁型梯形螺纹。

本实施例中，第二马达13内部输出轴连接第一扭矩传感器再连接第一丝杠；第一马达11内部输出轴连接第二扭矩传感器在连接扭动盘18；第一马达11与第二马达13内部所设置的扭矩传感器需具有中空轴，第一扭矩传感器及第二扭矩传感器均为中空盘式动态扭矩传感器。位于第一马达11内部的第二扭矩传感器通过扭动盘18传导来的扭矩，进行实时监测探针8在行进中的阻力变化而引起的扭矩变化，从而通过扭矩变化反映探针8行进在什么组织中；进而位于第二马达13内部的第一扭矩传感器通过滑台17所连接到第一马达11所传导来的阻力，反映到第二马达内部的第一扭矩传感器中。通过第一马达11与第二马达13内部所设置的两个扭矩传感器综合检测探针行进阻力，更加精确反映探针行进在什么组织中。

第一丝杠14、探针摆动机构、第二马达13及扭动盘18均位于同一轴心线，探针摆动机构的输出轴、第二马达13的输出轴、第一丝杠14及扭动盘18的轴心位置均设有能够通过探针8的通孔，扭动盘18的通孔位于第一滚轮27与第二滚轮28之间，第一马达11、第二马达13、第一丝杠14、扭动盘18都采用同轴心中空设计，便于临床医师操作，减少不必要的操作步骤，更加高效准确的实施手术，提高了手术质量与患者的安全。同轴心中空设计进一步减小装置体积，为临床操作者节省大部分操作空间，使手术操作更加舒适，减轻临床手术医生的压力，同时小体积设计避免造成遮光阴影妨碍手术顺利进行。探针8与第一马达11、第二马达13、第一丝杠14、扭动盘18都位于同一轴心更利于阻力等参数的传导监测，使数据更加精准，同时使监测更加灵敏可靠。

骨科置钉机构还包括第一保护罩5及第二保护罩6，第一保护罩5用于覆盖第二马达13以及第二马达13的移动行程，第二保护罩6用于覆盖探针摆动机构以及往复进给单元。骨科置钉机构还包括引导头9及用于引导探针8的导向锥形管7，引导头9设置在第二保护罩6靠近往复进给单元的端部，引导头9通过螺纹与第二保护罩6连接，导向锥形管7与引导头9可拆卸连接，引导头9与导向锥形管7为拔插式连接方式。

本实施例中，骨科置钉机构还包括用于测量探针8行进距离的标尺4，标尺4设置在第一丝杠14外侧端部，标尺4远离第一丝杠14的端部设有圆形板件，圆形板件上设有能够与通过探针8的圆孔，标尺4上设有能够与探针8配合的镂空槽，圆孔与镂空槽连通，镂空槽可容纳探针8穿行，标尺4上设有两条刻度线，两条刻度线对称设置在镂空槽两侧，一条刻度线上相邻短线最小间距为1mm,相邻长线最小间距为5mm，标尺4总长10cm至15cm。

一种骨科置钉装置，如图1-2所示，包括固定夹结构、活动臂结构及上述的一种骨科置钉机构；

如图8所示，第一马达11、第二马达13、第三马达19、第四马达20、第五马达21、第一扭矩传感器、第二扭矩传感器、第一压力传感器、第二压力传感器均与控制设备连接，本实施例中控制设备为MCU STM32F407IGT6工控，以下简称为MCU。

固定架结构通过活动臂结构与滑轨16连接，本实施例中，固定夹结构包括固定夹1及四个手拧螺栓，固定夹1断面为C形，四个手拧螺栓均设置在固定夹1底部，每一手拧螺栓顶部均设有防滑胶垫，防滑胶垫有夹紧固定防滑作用，固定夹1与活动臂结构连接，本实施例中，活动臂结构包括两个活动臂2，两个活动臂2通过一个万向关节连接，一个活动臂2通过一个万向关节与固定夹1顶部连接，另一个活动臂2通过一个万向关节与滑轨16连接，万向关节便于活动臂2多方向变化位置。

尖头探针主要用于前期骨科置钉机构在皮肉和椎弓根皮质骨位置的打孔，顿头探针主要用于后期在椎弓根内部的探测打孔。

一种骨科置钉方法，包括如下步骤：

步骤一：选用探针8类别中的尖头探针，第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值均设置为尖头探针能够在皮肉中穿行的扭矩阈值，设置第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为能够夹紧尖头探针的压力阈值，将固定夹结构安装在在手术台旁，通过调节活动臂结构来调节骨科置钉机构位置，将尖头探针插入骨科置钉机构中并使尖头探针底部与标尺4顶部平齐，而且尖头探针的尖头露出导向锥形管7；

步骤二：再一次调节骨科置钉机构位置，使尖头探针抵触到需要打孔的皮肤上；

步骤三：第一马达11通过带动尖头探针以正转90°，反转90°的方式反复进行扭动，通过第二马达13将尖头探针缓缓扭压入皮肉深处，当第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值到达设置好的扭矩阈值时，第一马达11及第二马达13自动停止，当第一马达11及第二马达13停止后，使用X光透视确认尖头探针是否已抵触到椎弓根皮质骨打孔位置；若尖头探针位置不符，通过调节活动臂结构及骨科置钉机构的位置对尖头探针行进方向进行调节；

步骤四：步骤三确认无异常后，第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值均设置为尖头探针能够压入皮质骨深处的扭矩阈值，设置第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为能够夹紧尖头探针的压力阈值，骨科置钉机构将尖头探针缓缓扭压入皮质骨深处直至自动停止；

步骤五：步骤四确认无异常后，关闭骨科置钉机构将尖头探针更换为顿头探针，同时确保顿头探针插入后在标尺4处显示的位置与尖头探针更换前所在标尺4位置一致，第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值均设置为顿头探针在松质骨中穿行的扭矩阈值，设置第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为能够夹紧顿头探针的压力阈值，设置第二马达13对顿头探针极限插入尺寸值，骨科置钉机构将顿头探针缓缓扭压入松质骨深处直至停止。

步骤六：已经插入的顿头探针不要移动，调节活动臂结构并同时将骨科置钉机构移离顿头探针；

步骤七：将骨科置钉机构的引导头9和导向锥形管7更换为内径适合椎弓根螺钉穿行的引导头9和内径适合椎弓根螺钉穿行的导向锥形管7；

步骤八：使用手术刀在探针8两侧扩切一定距离，调节活动臂结构将顿头探针插入骨科置钉机构中，直到导向锥形管7抵触到手术刀扩切的部位；

步骤九：设置第一扭矩传感器的扭矩阈值，当导向锥形管7沿顿头探针抵触到椎弓根时的阻力转化为第二马达13的扭矩值，使第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为0，使顿头探针可无阻力穿行骨科置钉机构，骨科置钉机构将适合椎弓根螺钉穿行的导向锥形管7压入，当第一扭矩传感器的扭矩阈值到达设置的扭矩阈值时，第二马达13自动停止；

步骤十：调节活动臂结构，保持导向锥形管7位置不变，并将导向锥形管7与引导头9拆卸分离；

步骤十一：将中空长杆椎弓根螺丝刀头加持在第一滚轮27与第二滚轮28之间，并将椎弓根自攻螺钉安装在中空长杆椎弓根螺丝刀头上；调节活动臂结构，将安装椎弓根自攻螺钉的骨科置钉机构沿顿头探针插入到适合椎弓根穿行的导向锥形管7中，直接抵触到椎弓根，长杆椎弓根螺丝刀头为现有装置；步骤十二：设置好第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值，使第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为能够夹紧中空长杆椎弓根螺丝刀头的压力阈值，而且将第一马达11运动模式由扭动调整为转动，第一滚轮27与第二滚轮28夹紧中空长杆椎弓根螺丝刀头，由第一马达11驱动扭动盘18转动，进而通过第一滚轮27及第二滚轮28带动中空长杆椎弓根螺丝刀头将椎弓根自攻螺钉拧入椎弓根；骨科置钉机构将椎弓根自攻螺钉旋拧入椎弓根，当第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值到达设置好的扭矩阈值时，第一马达11及第二马达13自动停止。

实施例一

骨科置钉装置使用前，根据患者皮肉、皮质骨和松质骨特性，专一制定打孔每种组织所对应的扭矩阈值与压力阈值。第一压力传感器、第二压力传感器、第一扭矩传感器、第二扭矩传感器均已设定好穿行皮肉的压力阈值及扭矩阈值、穿行皮质骨的压力阈值及扭矩阈值、穿行松质骨的压力阈值及扭矩阈值。以上阈值需要根据探针8类型一对一制定所属阈值范围。

在使用骨科置钉装置时，首先将固定夹1固定在在手术台旁，通过调节活动臂2来调节骨科置钉机构位置，再将尖头探针依次插入骨科置钉机构中并使探针8底部与标尺顶部平齐，而且尖头露出导向锥形管7。再一次调节骨科置钉机构位置，使尖头探针抵触到需要打孔的皮肤上。启动骨科置钉装置，第二马达13通过带动第一丝杠14与第三支撑架15上的梯形螺纹啮合推动滑台17带动尖头探针沿滑轨16向皮肉深处压入，同时第五马达21带动第一活动夹22和第二活动夹25夹紧第一滚轮支架29和第二滚轮支架30，从而带动第一滚轮27与第二滚轮28夹紧尖头探针，之后第一马达11通过扭动盘18带动第一滚轮27及第二滚轮28，进而带动尖头探针以正转90°，反转90°的方式反复进行扭动。其中第一活动夹22和第二活动夹25夹紧第一滚轮支架29和第二滚轮支架30处设有的第一压力传感器及第二压力传感器可将实时压力值传送到MCU与显示装置，MCU通过已设定好的压力阈值控制对探针8所施加的压力。

当导向锥形管7和尖头探针在皮肉中穿行时，第二马达13内部设置的第一扭矩传感器实时检测此过程中的扭矩变化，同时将实时扭矩值传送给MCU和显示装置，MCU通过已经设定好的扭矩阈值判断导向锥形管7和尖头探针是否在皮肉中穿行，若穿行中扭矩值突然增大超过或减小低于阈值范围，所有马达瞬间停止运动。穿行中扭矩值突然增大超过阈值范围情况，根据显示装置显示的参数进一步判断尖头探针是否已经抵触到椎弓根皮质骨，再进行X光透视进一步确认尖头探针的位置；穿行中扭矩值突然减小低于阈值范围情况，根据显示装置显示的参数进一步判断尖头探针是否已经穿透皮肉但未能抵触到椎弓根皮质骨，再进行X光透视进一步确认尖头探针的位置；当确认尖头探针已经抵触到椎弓根皮质骨相应位置，重新开启本发明装置，此时第二马达13继续运动带动尖头探针向皮质骨内部压入，同时第一马达11带动尖头探针以正转90°，反转90°的方式反复进行扭动。当尖头探针在破穿椎弓根皮质骨同时，第一马达1内部的扭矩传感器与第二马达内部的扭矩传感器同时将实时扭矩传送给MCU与显示器，同时所有马达停止运动。

此时再进行X光透视进一步确认尖头探针的位置，明确探针位置准确无误后，将尖头探针换成顿头探针，保证顿头探针处于换掉的尖头探针原位置处。再重新开启本发明装置，此时第二马达13处于静止状态，第一马达11、第三马达19、第四马达20、第五马达21都处于工作状态。其中第三马达19与第四马达20进行正反转反复式运动，带动顿头探针以特定的冲击力在松质骨中行进，同时第一马达11带动顿头头探针以正转90°，反转90°的方式反复进行扭动，根据标尺4处顿头探针行进尺寸与X光透视进一步确认尖头探针的位置，已达到所需位置即可停止本发明装置，也可根据标尺预设行进尺寸参数使本发明装置自动停止。

若顿头探针无法继续行进，但各个马达所显示的的参数都没有超出预先设定的阈值范围的情况下，使用尖头探针替换顿头探针，同时重新预设尖头探针对应的各个阈值范围，再进行下一步操作，直至使探针达到所需位置即可。

实施例二

骨科置钉装置安装至现有医疗机械人手臂上，进而进行全自动式操作，减少人为操作，更加准确安全地进高难度手术。

以上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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种往复进给单元，其特征在于：包括驱动机构、第一滚轮(27)、第二滚轮(28)及夹紧机构；

所述驱动机构用于驱动所述第一滚轮(27)及第二滚轮(28)转动，所述夹紧机构用于实现所述第一滚轮(27)与所述第二滚轮(28)之间夹紧，所述第一滚轮(27)及第二滚轮(28)用于带动探针(8)或能够与椎弓根螺钉配合的螺丝刀头进行直线往复运动。

2.根据权利要求1所述的一种往复进给单元，其特征在于：所述驱动机构包括第三马达(19)及第四马达(20)，所述第二滚轮(28)设置在所述第三马达(19)输出端，所述第一滚轮(27)设置在所述第四马达(20)输出端。

3.根据权利要求1所述的一种往复进给单元，其特征在于：所述第一滚轮(27)及第二滚轮(28)上均设有能够与探针(8)配合的环形凹槽。

4.根据权利要求1所述的一种往复进给单元，其特征在于：所述夹紧机构包括导轨结构、第五马达(21)、第二丝杠(26)、第一活动夹(22)、第二活动夹(25)、第一滚轮支架(29)及第二滚轮支架(30)，所述第一滚轮支架(29)及第二滚轮支架(30)均滑动设置在所述导轨结构上，所述第二滚轮(28)转动设置在所述第二滚轮支架(30)上，所述第一滚轮(27)转动设置在所述第一滚轮支架(29)上，所述第一滚轮支架(29)及第二滚轮支架(30)设置在所述第一活动夹(22)与第二活动夹(25)之间，所述第五马达(21)用于驱动所述第二丝杠(26)转动，当所述第二丝杠(26)转动时，所述第一活动夹(22)及第二活动夹(25)夹紧所述第一滚轮支架(29)及第二滚轮支架(30)。

5.根据权利要求4所述的一种往复进给单元，其特征在于：所述第一活动夹(22)与第二滚轮支架(30)接触位置设有第一压力传感器，所述第二活动夹(25)与第一滚轮支架(29)接触位置设有第二压力传感器。

6.根据权利要求4所述的一种往复进给单元，其特征在于：所述第一活动夹(22)及第二活动夹(25)均通过自锁型梯形螺纹与所述第二丝杠(26)啮合。

7.根据权利要求4所述的一种往复进给单元，其特征在于：所述导轨结构包括第一导轨(23)及第二导轨(24)，所述第一滚轮支架(29)与所述第一导轨(23)及第二导轨(24)滑动连接，所述第二滚轮支架(30)与所述第一导轨(23)及第二导轨(24)滑动连接。

8.一种骨科置钉机构，其特征在于：包括滑台机构、伸缩机构、探针摆动机构及权利要求5-7任一项所述的往复进给单元；

所述滑台机构包括滑轨(16)及滑台(17)，所述滑台(17)与所述滑轨(16)滑动连接，所述伸缩机构用于实现所述滑台(17)与所述滑轨(16)之间的滑动，所述往复进给单元通过扭动机构设置在所述滑台(17)上，所述探针摆动机构用于实现所述往复进给单元的转动。

9.根据权利要求8所述的一种骨科置钉机构，其特征在于：所述扭动机构包括第一支撑架(10)及扭动盘(18)，所述扭动盘(18)通过第一轴承与所述第一支撑架(10)转动连接，所述夹紧机构设置在所述扭动盘(18)上，所述探针摆动机构的输出端与所述扭动盘(18)固接，所述探针摆动机构设置在所述滑台(17)上。

10.根据权利要求8所述的一种骨科置钉机构，其特征在于：所述探针摆动机构为第一马达(11)。

11.根据权利要求8所述的一种骨科置钉机构，其特征在于：所述伸缩机构包括第二马达(13)、第一丝杠(14)、第二支撑架(12)及第三支撑架(15)，所述第三支撑架(15)设置在所述滑轨(16)上，所述第二马达(13)及第二支撑架(12)均设置在所述滑台(17)上，所述第一丝杠(14)通过第二轴承与所述第二支撑架(12)转动连接，所述第三支撑架(15)上设有螺纹孔，所述第一丝杠(14)与所述螺纹孔连接，所述第二马达(13)用于驱动所述第一丝杠(14)转动。

12.根据权利要求11所述的一种骨科置钉机构，其特征在于：所述第二马达(13)的输出轴通过第一扭矩传感器与所述第一丝杠(14)连接，所述探针摆动机构的输出端通过第二扭矩传感器与所述扭动盘(18)连接。

13.根据权利要求11所述的一种骨科置钉机构，其特征在于：所述第一丝杠(14)的螺纹及所述螺纹孔均为自锁型梯形螺纹。

14.根据权利要求11所述的一种骨科置钉机构，其特征在于：所述第一丝杠(14)、探针摆动机构、第二马达(13)及扭动盘(18)均位于同一轴心线，所述探针摆动机构的输出轴、第二马达(13)的输出轴、第一丝杠(14)及扭动盘(18)的轴心位置均设有能够通过探针(8)的通孔，所述扭动盘(18)的通孔位于所述第一滚轮(27)与第二滚轮(28)之间。

15.根据权利要求12-14任一项所述的一种骨科置钉机构，其特征在于：所述骨科置钉机构还包括第一保护罩(5)及第二保护罩(6)，所述第一保护罩(5)用于覆盖所述第二马达(13)以及第二马达(13)的移动行程，所述第二保护罩(6)用于覆盖探针摆动机构以及往复进给单元。

16.根据权利要求15所述的一种骨科置钉机构，其特征在于：所述骨科置钉机构还包括引导头(9)及用于引导探针(8)的导向锥形管(7)，所述引导头(9)设置在所述第二保护罩(6)靠近所述往复进给单元的端部，所述导向锥形管(7)与所述引导头(9)可拆卸连接。

17.据权利要求16所述的一种骨科置钉机构，其特征在于：所述骨科置钉机构还包括用于测量探针(8)行进距离的标尺(4)，所述标尺(4)设置在所述第一丝杠(14)外侧端部。

18.据权利要求17所述的一种骨科置钉机构，其特征在于：所述标尺(4)远离所述第一丝杠(14)的端部设有圆形板件，所述圆形板件上设有能够与通过探针(8)的圆孔，所述标尺(4)上设有能够与探针(8)配合的镂空槽，所述圆孔与所述镂空槽连通，所述标尺(4)上设有两条刻度线，两条所述刻度线对称设置在所述镂空槽两侧。

19.一种骨科置钉装置，其特征在于：包括固定夹结构、活动臂结构及权利要求18所述的一种骨科置钉机构；

所述固定架结构通过所述活动臂结构与所述滑轨(16)连接。

20.根据权利要求19所述的一种骨科置钉装置，其特征在于：所述固定夹结构包括固定夹(1)及四个手拧螺栓，所述固定夹(1)断面为C形，四个所述手拧螺栓均设置在所述固定夹(1)底部，每一所述手拧螺栓顶部均设有防滑胶垫，所述固定夹(1)与所述活动臂结构连接。

21.一种骨科置钉方法，其特征在于：当使用权利要求19或20任一项所述的骨科置钉装置时，包括如下步骤：

步骤一：选用探针(8)类别中的尖头探针，第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值均设置为尖头探针能够在皮肉中穿行的扭矩阈值，设置第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为能够夹紧尖头探针的压力阈值，将固定夹结构安装在在手术台旁，通过调节活动臂结构来调节骨科置钉机构位置，将尖头探针插入骨科置钉机构中并使尖头探针底部与标尺(4)顶部平齐，而且尖头探针的尖头露出导向锥形管(7)；

步骤二：再一次调节骨科置钉机构位置，使尖头探针抵触到需要打孔的皮肤上；

步骤三：通过骨科置钉机构将尖头探针缓缓扭压入皮肉深处，当第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值到达设置好的扭矩阈值时，第一马达(11)及第二马达(13)自动停止，当第一马达(11)及第二马达(13)停止后，使用X光透视确认尖头探针是否已抵触到椎弓根皮质骨打孔位置；若尖头探针位置不符，通过调节活动臂结构及骨科置钉机构的位置对尖头探针行进方向进行调节；

步骤四：步骤三确认无异常后，第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值均设置为尖头探针能够压入皮质骨深处的扭矩阈值，设置第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为能够夹紧尖头探针的压力阈值，骨科置钉机构将尖头探针缓缓扭压入皮质骨深处直至自动停止；

步骤五：步骤四确认无异常后，关闭骨科置钉机构将尖头探针更换为顿头探针，同时确保顿头探针插入后在标尺(4)处显示的位置与尖头探针更换前所在标尺(4)位置一致，第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值均设置为顿头探针在松质骨中穿行的扭矩阈值，设置第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为能够夹紧顿头探针的压力阈值，设置第二马达(13)对顿头探针极限插入尺寸值，骨科置钉机构将顿头探针缓缓扭压入松质骨深处直至停止。

22.根据权利要求21所述的一种骨科置钉方法，其特征在于：当所述步骤五操作完成后，还包括如下步骤：

步骤六：已经插入的顿头探针不要移动，调节活动臂结构并同时将骨科置钉机构移离顿头探针；

步骤七：将骨科置钉机构的引导头(9)和导向锥形管(7)更换为内径适合椎弓根螺钉穿行的引导头(9)和内径适合椎弓根螺钉穿行的导向锥形管(7)；

步骤八：使用手术刀在探针(8)两侧扩切一定距离，调节活动臂结构将顿头探针插入骨科置钉机构中，直到导向锥形管(7)抵触到手术刀扩切的部位；

步骤九：设置第一扭矩传感器的扭矩阈值，使第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为0，骨科置钉机构将适合椎弓根螺钉穿行的导向锥形管(7)压入，当第一扭矩传感器的扭矩阈值到达设置的扭矩阈值时，第二马达(13)自动停止；

步骤十：调节活动臂结构，保持导向锥形管(7)位置不变，并将导向锥形管(7)与引导头(9)拆卸分离；

步骤十一：将中空长杆椎弓根螺丝刀头加持在第一滚轮(27)与第二滚轮(28)之间，并将椎弓根自攻螺钉安装在中空长杆椎弓根螺丝刀头上；调节活动臂结构，将安装椎弓根自攻螺钉的骨科置钉机构沿顿头探针插入到适合椎弓根穿行的导向锥形管(7)中，直接抵触到椎弓根；

步骤十二：设置好第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值，使第一压力传感器及第二压力传感器的压力阈值均为能够夹紧中空长杆椎弓根螺丝刀头的压力阈值，而且将第一马达(11)运动模式由扭动调整为转动；骨科置钉机构将椎弓根自攻螺钉旋拧入椎弓根，当第一扭矩传感器的扭矩阈值、第二扭矩传感器的扭矩阈值到达设置好的扭矩阈值时，第一马达(11)及第二马达(13)自动停止。

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